直線感應(yīng)電機的有限元仿真與分析
許智斌，方進，趙佳
(北京交通大學電氣工程學院，北京100044)
摘要：分析了用于城市軌道交通的直線感應(yīng)電機的結(jié)構(gòu)特征及其等效電路，闡述了相關(guān)參數(shù)的計算方法，包括電機勵磁電抗、效率、功率因素等，并應(yīng)用ansoft有限元軟件，對一臺直線感應(yīng)電機樣機進行了電磁分析。通過有限元仿真與分析，得出了電機內(nèi)部電磁場的分布特點和規(guī)律，研究結(jié)果為直線感應(yīng)電機電磁設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。同時，仿真結(jié)果對今后電機控制系統(tǒng)的設(shè)計有著重要意義。
關(guān)鍵詞：直線感應(yīng)電機；等效電路；有限元分析法；推力；法丙力；磁通線
中圖分類號：tm359.9; tm343 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)05-0006-04
0 引言 直線感應(yīng)電機輪軌交通系統(tǒng)是一種新型的城市軌道交通制式，在許多城市均有應(yīng)用。我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程加速，迫切需要建設(shè)各種經(jīng)濟、適用的城市軌道交通系統(tǒng)。基于直線感應(yīng)電機( lim)驅(qū)動技術(shù)的軌道交通系統(tǒng)具有軌道造價低、截面結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省空間和可靠性高等優(yōu)點，是我國城市軌道交通的優(yōu)先選擇方案之一。
由于直線電機本身結(jié)構(gòu)的特殊性，在對直線電機進行設(shè)計時所采用的等效電路，邊端效應(yīng)的歸算沒有統(tǒng)一的模型和算法，本文在適度簡化的基礎(chǔ)上建立了直線感應(yīng)電機電磁場動態(tài)仿真模型，給出分析結(jié)果，為電機設(shè)計及控制系統(tǒng)研究提供了理論基礎(chǔ)。
1 直線感應(yīng)電機的結(jié)構(gòu)特征與等效電路
1．1直線感應(yīng)電機的結(jié)構(gòu)
圖1是用于軌道交通系統(tǒng)lim的結(jié)構(gòu)示意圖（未畫繞組）。電機初級鐵軛和繞組安裴在列車上；次級感應(yīng)板和鐵軛安裝在鐵軌一側(cè)。定子繞組由車載電壓型三相pwm變頻器供電。變頻器采用電流閉環(huán)控制，當三相正弦波電流通入定子繞組時，初、次級間的氣隙中將產(chǎn)生沿前進方向運動的磁場，它在次級感應(yīng)板和鐵軛中感應(yīng)出渦流，從而產(chǎn)生牽引力，推動列車前進。這種電機采用低頻直接起動。
1.2直線感應(yīng)電機的等效電路
在不考慮直線感應(yīng)電機的動態(tài)橫向邊緣效應(yīng)和縱向邊緣效應(yīng)時，可以使用與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機相同的等效電路。由于直線電機的鐵心磁通密度通常較低，鐵損耗很小，因此在等效電路中可以忽略與鐵損耗相對應(yīng)的電阻。且直線電機在采用非磁性次級時，次級導體板的漏抗很小，可以認為x2=0經(jīng)過這樣的簡化后，在不考慮邊緣效應(yīng)時，對于非磁性次級的直線電機可以得到如圖2所示的等效電路[2]。
通常，當極數(shù)2p≥6時，脈振磁通密度幅值與行波磁通密度幅值相比可以忽略不計�？v向動態(tài)邊端效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電流將使直線電機的損耗增加，功率因素降低，出力減小，在高速運動的直線電機中表現(xiàn)顯著，低速情況下則可忽略。
對于一般的直線電機，其次級導體板的寬度常常大于初級鐵心疊片的厚度，通常不考慮由于橫向邊端磁通密度分布不均勻所產(chǎn)生的進人次級磁通總量的變化，亦即不考慮第一類橫向邊緣效應(yīng)。由于次級電流的不平行分布及氣隙磁通密度沿與電機齒槽方向的不均勻分布常被稱為第二類橫向邊緣效應(yīng)，可用卡特系數(shù)kc來修正。
式中，μ0為真空磁導率；wsc為電機初級等效寬度；kw為繞組系數(shù)；nph為初級繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；p為極對數(shù)；gei為等效氣隙；ws為電機初級寬度；q1為每級每相槽數(shù)；lce為繞組端部長度；jc 為初級繞組電流密度；f為電源頻率；σc為繞組電
導率；σei為修正的鋁板電導率（考慮第二類橫向邊端效應(yīng)）；τ為極距；i1為初級電流。
品質(zhì)因數(shù)c是評價直線電機性能最合適的一個因數(shù)，用來說明直線電機把一種能力轉(zhuǎn)換為另一種能量的能力。
電機品質(zhì)因數(shù)
初級等效電流層幅值
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