前言：本站為你精心整理了高速磁懸浮列車電磁場計算范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

摘要:采用有限元法研究了高速磁懸浮列車的懸浮和推進(jìn)電磁場,重點研究了車輛在不同運行條件下懸浮力和推力的變化規(guī)律,并得出了經(jīng)驗公式。分析和計算結(jié)果表明,懸浮力和推力的大小與功角有關(guān),并且由于定子齒槽和材料不連續(xù)的影響,懸浮力和推力都存在六倍頻的波動。

關(guān)鍵詞:磁懸浮列車;直線同步電機;電磁場分析;有限元法;模擬計算

常導(dǎo)高速吸浮型磁懸浮列車是一個典型的直線同步電機對象,而且又有別于一般的直線同步電機。其長定子軌道上的初級線圈采用三相交流激磁,懸浮電磁鐵上的次級線圈采用直流激磁,而且次級磁極上也有齒槽,用于設(shè)置發(fā)電繞組,因此其磁場分布極為復(fù)雜。其懸浮力和推力不僅受到轉(zhuǎn)子電流、定子電流和氣隙寬度的影響,而且受到定子齒槽、發(fā)電齒槽、功角等因素的影響,因此深入分析懸浮力和推力與這些因素的關(guān)系對于保證懸浮和推進(jìn)的可靠性有著十分重要的意義。盡管國內(nèi)外學(xué)者圖1常導(dǎo)高速磁懸浮列車中直線同步電機的結(jié)構(gòu)示意圖對于直線同步電機的磁場分布已作了許多Fig.1Thestructurediagramoflinearsynchronousmotorin研究[5],但是對于高速磁懸浮列車電磁場normalconductedhighspeedmagneticlevitationvehicle分布的系統(tǒng)研究尚未見到詳細(xì)的報道。為此我們應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS,從分析氣隙磁場的分布入手,采用空間離散手段,對常導(dǎo)高速磁懸浮列車的電磁場進(jìn)行了比較全面的分析和計算,獲得了一些與文獻(xiàn)報道和以往試驗數(shù)據(jù)相符的結(jié)果[1]。

1常導(dǎo)吸浮型高速磁懸浮列車中直線同步電機的結(jié)構(gòu)

常導(dǎo)磁懸浮列車所用的直線同步電機的結(jié)構(gòu)如圖1,它屬于單邊長定子直線同步凸極電動機。長定子由地面上的軌道構(gòu)成,轉(zhuǎn)子由車載電磁鐵構(gòu)成。轉(zhuǎn)子繞組中加有直流電流,形成懸浮磁場,與定子作用產(chǎn)生懸浮力。而長定子繞組中通有三相交流電,形成行波磁場與車載電磁鐵的磁極相互作用,從而產(chǎn)生推力[1]。

2有限元模型的建立

所研究磁懸浮列車的每節(jié)車廂上有7個懸浮電磁鐵組合,分布在車廂的兩側(cè)。每個懸浮電磁鐵組合由6對懸浮電磁鐵構(gòu)成。定子(軌道)的厚度為90mm,極距τ=258mm。定子軌道上的線圈匝數(shù)為1,通三相交流電;懸浮電磁鐵上的線圈匝數(shù)為270,通直流電。由于在實際情況中,定子(軌道)的長度遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子(懸浮電磁鐵)的長度,并且定子(軌道)和轉(zhuǎn)子(懸浮電磁鐵)沿垂直于車輛運動方向(z方向)的每一橫截面的形狀均相同,因此我們采用2-D長定子模型進(jìn)行分析。

分析常導(dǎo)高速磁懸浮列車電磁場時,既要模擬恒定磁場,又要模擬時變磁場,這是特別困難的。而且由于定子和轉(zhuǎn)子上均有齒槽,材料不具有連續(xù)性,定子和轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)到不同位置時磁路結(jié)構(gòu)不同,磁場分布也不相同。為了在有限元分析中體現(xiàn)出這種不同,我們采用了空間離散的方法,即通過離散電機轉(zhuǎn)子的位置,建立若干個不同位置的模型進(jìn)行分析。只要相鄰模型之間位置的差距足夠小,這種方法的精度就足夠高。此時每個模型內(nèi)的磁場都可以看成是恒定磁場。在分析過程中,通過設(shè)定周期性邊界條件克服了直線電機的縱向邊端效應(yīng)的影響,并且對于每極槽數(shù)為整數(shù)的直線同步電動機來說,由于其結(jié)構(gòu)具有對稱性,轉(zhuǎn)子模擬一對磁極就可以了。

3結(jié)論

3.1磁感應(yīng)強度的分布情況

如圖2、圖3中,圖中幅值大者為垂直分量BY,幅值小者為水平分量BX。從圖中可以看出,齒槽的存在對磁感應(yīng)強度的分布影響很大。該結(jié)論已得到實驗驗證,詳細(xì)情況將在后續(xù)文章中介紹。

圖2沒有齒槽時氣隙中央的磁感應(yīng)強度分布圖3有齒槽時氣隙中央的磁感應(yīng)強度分布

3.2功角對推力和懸浮力的影響[5]

從圖4中可以看出,推力在功角為90°時取得最大值,懸浮力在90°時取得平均值。

3.3電磁力的波動情況[2～4]圖5、圖6中表示的是一個周期內(nèi)(0.02s)懸浮力和推力的波動情況,從圖中可以明顯地看到六倍頻

圖4推力和懸浮力隨功角的變化情況的波動。

圖5懸浮力的計算結(jié)果圖圖6推力的計算結(jié)果

3.4不同運行條件下電磁力計算的經(jīng)驗公式

當(dāng)氣隙寬度在6mm至14mm、定子電流在600A至1400A、轉(zhuǎn)子電流在14A至30A范圍內(nèi)變化時,采用有限元方法對多個模型進(jìn)行了電磁場的分析和電磁力的計算,并采用最小二乘法對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,得出了不同運行條件下電磁力計算的經(jīng)驗公式(針對一對懸浮電磁鐵):

2FX=(-3.27x3+130.08x-1880.58x+11852.2)·(407.29y3-1138.96y2+3743.75y-218.2)·(0.014z3-0.928z2+150.24z-197.09)/27962(1)

22FY=(-167.41x3+6413.73x-85566.6x+426015)·(-83.33y3+1695.83y-205.83y+44154)·2(-0.043z3+87.95z+76.08z+866.72)/451432(2)式中FX代表推力(單位:N/m),FY代表懸浮力(單位:N/m),x代表氣隙寬度(單位:mm),y代表定子電流(單位:kA),z代表轉(zhuǎn)子電流(單位:A)。

利用該經(jīng)驗公式得到的電磁力的計算結(jié)果與有限元分析結(jié)果之間的平均誤差小于2%,可為電磁力的工程計算提供重要依據(jù)。

參考文獻(xiàn):

[1]MeinsJ,MillerL,MayerMJ.TheHighSpeedMaglevTransportationSystemTransrapid[J].IEEETrans.onMagnetics,1998,24(2):808811.

[2]李慶雷,王先逵,等.永磁同步直線電機推力及垂直力的有限元計算[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2000,5:20-23.

[3]李慶雷,王先逵,等.永磁同步直線電機推力波動分析及改善措施[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2000,5:33-36.

[4]陳宇明,金能強.直線同步電機的磁場與力特性分析[J].電工電能新技術(shù),2002,1:26-32.

[5]葉云岳.直線電機原理與應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.