軌道交通用大功率直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及特性計(jì)算
杜玉梅，金能強(qiáng)
(中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京100190)
摘要：針對(duì)軌道交通用大功率直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，采用改進(jìn)的T型等效電路模型進(jìn)行了電機(jī)設(shè)計(jì)及特性計(jì)算，設(shè)計(jì)中考慮了電機(jī)的端部效應(yīng)、端部半填充槽、次級(jí)反血板集膚效應(yīng)等特殊結(jié)構(gòu)問題。并據(jù)此設(shè)計(jì)制作了樣機(jī)，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果吻合。同時(shí)也給出了不同氣隙下電機(jī)特陛的計(jì)算結(jié)果。
關(guān)鍵詞：軌道交通；直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；特性計(jì)算；等效電路
中國(guó)分類號(hào)：TM359．4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2009)12—01122—04
O引 言
直線電動(dòng)機(jī)輪軌交通系統(tǒng)，如圖l所示，是一種采用輪軌支撐及導(dǎo)向、直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的軌道交通系統(tǒng)。與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的軌道交通系統(tǒng)相比，直線電動(dòng)機(jī)輪軌系統(tǒng)****特點(diǎn)是其非黏著的直接驅(qū)動(dòng)方式，由直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(LIM)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)車輛運(yùn)動(dòng)，而不再依賴輪軌之間的摩擦力傳遞動(dòng)力.
由于采用了直接驅(qū)動(dòng)，列車的牽引力不受輪軌之間黏著條件的限制，與傳統(tǒng)輪軌鐵路相比，可以充分發(fā)揮電機(jī)的牽引功率，獲得優(yōu)良的加減速性能和爬坡能力，轉(zhuǎn)彎半徑也可減小，提高了線路設(shè)計(jì)的靈活性。由于不需要旋轉(zhuǎn)與直線運(yùn)動(dòng)變換的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化．運(yùn)行可靠性提高，維護(hù)工作量減少。由于車輪小傳遞動(dòng)力，可降低列車的運(yùn)行噪聲，且采用電力驅(qū)動(dòng)，無(wú)污染，有利于環(huán)境保護(hù)。直線電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)成扁平形，有利于車輛的小型化，可減小隧道斷面尺寸．降低工程造價(jià)。這些優(yōu)點(diǎn)使得直線電動(dòng)機(jī)軌道交通有望成為未來軌道交通發(fā)展的新模式。
大功率直線牽引電動(dòng)機(jī)是直線軌道交通系統(tǒng)的核心部件之一，它是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的時(shí)變系統(tǒng)，勵(lì)磁電感和次級(jí)電阻等重要參數(shù)隨電機(jī)速度、氣隙長(zhǎng)度等而變化，并影響著電機(jī)的牽引特性。由于與旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的不同，直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)存在動(dòng)、靜態(tài)縱向端部效應(yīng)、橫向端部效應(yīng)、邊端極“半填充槽”、電磁氣隙大、次級(jí)反應(yīng)板集膚效應(yīng)等問題，其理論分析和特性計(jì)算更為困難和復(fù)雜，一般必須采用電磁場(chǎng)分析求解其氣隙磁場(chǎng)的解析解，然后才能計(jì)算其運(yùn)行特性。軌道交通直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)采用T型等效電路進(jìn)行電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)及特性計(jì)算，它是一種簡(jiǎn)便、直接的方法，其突出優(yōu)點(diǎn)是可以較快完成設(shè)計(jì)并進(jìn)行陛能仿真，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。
本文采用改進(jìn)的T型等效電路模型，完成了直線軌道交通實(shí)驗(yàn)線直線感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)，并仿真計(jì)算了其運(yùn)行特性。據(jù)此設(shè)計(jì)制作了樣機(jī)，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果符合。本文同時(shí)也給出了不同氣隙下電機(jī)特性的計(jì)算結(jié)果。
1軌道交通直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)
在現(xiàn)有的直線電動(dòng)機(jī)輪軌交通系統(tǒng)中，采用單邊短初級(jí)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(SLIM)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如日本的直線電動(dòng)機(jī)地鐵系統(tǒng)和加拿大Bombarflier公司的直線電動(dòng)機(jī)軌道交通系統(tǒng)skytrain等。單邊短初級(jí)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。電機(jī)的短定子(初級(jí))包括鐵心及三相繞組安置在車上；次級(jí)(反應(yīng)板)沿線路布置，由鋁板(或銅板)和鐵軛復(fù)合而成，初級(jí)和次級(jí)之間為電機(jī)的氣隙，為獲得優(yōu)良運(yùn)行性能，電機(jī)氣隙應(yīng)采用機(jī)械結(jié)構(gòu)允許的最小值，軌道交通中常用值為9～11mm。為減小橫向邊端效應(yīng)，次級(jí)反應(yīng)板寬度應(yīng)大于初級(jí)鐵心的寬度：
2直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)T型等效電路
與普通旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣，等效電路也是研究直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁理論、工作特性及設(shè)計(jì)計(jì)算的重要工具。圖3是普通旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的T型等效電路，它是在各相對(duì)稱條件下求得的。當(dāng)已知定子相電壓U1(或相電流I1)，及電機(jī)各參數(shù)r1、x1、xm、r2和x2時(shí)，可利用此電路，求出相電流I1(或相電壓U1)、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)矩、機(jī)械功率、效率、功率因
數(shù)等對(duì)應(yīng)于不同滑差率s等運(yùn)行特性。這樣就使旋轉(zhuǎn)電機(jī)的特性計(jì)算轉(zhuǎn)化為一個(gè)電路計(jì)算問題，而電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系可用等效電路參數(shù)來聯(lián)系，使各量之間的關(guān)系清楚明r，計(jì)算簡(jiǎn)便有效，與優(yōu)化算法相結(jié)合，可以獲得較好的設(shè)計(jì)方案[4,5,7]。
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