長定子同步直線電動(dòng)機(jī)工作原理及其電磁設(shè)計(jì)

摘 要：介紹用于磁懸浮列車中的長定子同步直線電動(dòng)機(jī)的工作原理，指出其電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)，特別是與一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)在設(shè)計(jì)上的不同之處. 并編制了電磁設(shè)計(jì)程序，為長定子同步直線電動(dòng)機(jī)的計(jì)算提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞：磁懸浮列車；長定子同步直線電動(dòng)機(jī)；電磁設(shè)計(jì)

國外的交通研究報(bào)告指出，距離約為800 km 的大城市之間的中遠(yuǎn)程運(yùn)輸，對(duì)于汽車和火車來說距離太遠(yuǎn)，對(duì)飛機(jī)又顯得太近，從成本上來說很不經(jīng)濟(jì)。然而，這一距離對(duì)于磁懸浮列車來說卻非常適合，磁懸浮列車以高達(dá)500 km/ h 的運(yùn)行速度可以填補(bǔ)汽車、火車與飛機(jī)之間的交通運(yùn)輸空擋，還能減輕汽車和飛機(jī)對(duì)環(huán)境的污染[ 1 ]。因此磁懸浮列車將成為現(xiàn)有交通運(yùn)輸系統(tǒng)的有力補(bǔ)充，并使工業(yè)國家存在的高速長途運(yùn)輸問題有望得以解決。

高速磁懸浮鐵道運(yùn)輸有EMS 與EDS 兩大系統(tǒng)。EMS（機(jī)車車輛側(cè)驅(qū)動(dòng)） 是一種吸引式電磁懸浮系統(tǒng)，EDS（軌道側(cè)驅(qū)動(dòng)） 是一種排斥式電動(dòng)懸浮系統(tǒng)。德國磁懸浮列車的發(fā)展經(jīng)歷了從長定子同步直線電動(dòng)機(jī)的EDS，到短定子異步直線電動(dòng)機(jī)的EMS，再到長定子同步直線電動(dòng)機(jī)的EMS 的過程，并最終確定了長定子EMS 的發(fā)展路線。

德國高速磁懸浮列車以其無接觸式電磁懸浮、驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)向系統(tǒng)為鐵路交通開辟了新的前景。磁懸浮列車的速度高達(dá)500 km/ h，盡管運(yùn)行速度很高但能量消耗卻不大，運(yùn)行時(shí)沒有摩擦損耗，舒適性好，對(duì)環(huán)境的影響很小[ 2 ]。另外其懸浮和導(dǎo)向系統(tǒng)環(huán)繞導(dǎo)軌（即車輛從外面包著路面），且懸浮、導(dǎo)向和制動(dòng)功能被設(shè)計(jì)成既是冗余的又是各不相同的，因此運(yùn)行時(shí)非常安全。

德國磁懸浮列車經(jīng)過長達(dá)數(shù)10 年的發(fā)展，技術(shù)已趨于成熟，目前幾個(gè)國家如德國、美國和中國等正考慮將長定子磁懸浮列車投入使用。在美國，拉斯維加斯已決定在該城與洛杉磯之間的交通線上使用德國的高速磁懸浮列車；德國針對(duì)磁懸浮列車在國內(nèi)的應(yīng)用，也展開了大規(guī)模的調(diào)查，萊茵走廊/ 美茵—萊茵/ 魯爾以及北德和南德地區(qū)均屬考慮之列；中國上海正在建造磁懸浮鐵路，使用德國高速磁懸浮列車TR -08 技術(shù)，力爭成為世界上第一條實(shí)際應(yīng)用的磁懸浮鐵路。

1 長定子同步直線電動(dòng)機(jī)

1.1 工作原理

德國TR 型磁懸浮列車無接觸式的牽引技術(shù)要求采用長定子同步直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)定子鐵心由015 mm 厚的電工鋼片疊壓而成，被固定在導(dǎo)軌的下部；定子三相繞組由防護(hù)電纜組成，預(yù)先成形，并由敷線車將其嵌放在導(dǎo)軌兩側(cè)的定子槽中。定子三相繞組通電后，產(chǎn)生一個(gè)移行磁場(chǎng)，與布置在車輛上的懸?。▌?lì)磁） 磁鐵相互作用，實(shí)現(xiàn)牽引。其工作原理如圖1 所示：

圖1 長定子同步直線電機(jī)的工作原理圖

為獲得恒定的懸浮力，德國TR 型磁懸浮列車采用吸引式電磁懸浮原理，由同步電機(jī)的定子鐵心與車輛上的懸浮磁鐵之間形成氣隙磁通產(chǎn)生懸浮力。其懸浮和牽引系統(tǒng)合二為一，這也是德國TR 型磁懸浮列車的優(yōu)勢(shì)所在。為滿足列車高速運(yùn)行的要求，TR 型磁懸浮列車采用獨(dú)立的導(dǎo)向系統(tǒng)，線路兩側(cè)垂直地布置有鋼板（導(dǎo)向和制動(dòng)軌），車輛兩側(cè)相應(yīng)地布置有導(dǎo)向磁鐵，它與線路的鋼板形成閉合回路。電磁鐵線圈通電后，可產(chǎn)生足夠的橫向?qū)蛄?，但?dú)立導(dǎo)向系統(tǒng)增加了車的重量和線路成本[ 3 ]。

因線路很長，為避免能量損失，將長定子線路分成獨(dú)立區(qū)段，只在車輛所在區(qū)段接通電源，由變電站向安裝在線路兩側(cè)的定子三相繞組供電。改變?nèi)嘟涣麟娏黝l率，可從靜止到運(yùn)行速度范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整牽引力。

1. 2 電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)

長定子同步直線電動(dòng)機(jī)與一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，設(shè)計(jì)計(jì)算大致相同，需要經(jīng)過磁路計(jì)算、參數(shù)計(jì)算、額定勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)計(jì)算、勵(lì)磁數(shù)據(jù)計(jì)算、損耗和效率計(jì)算幾個(gè)部分[4 ]。所不同的是設(shè)計(jì)長定子同步直線電動(dòng)機(jī)時(shí)，要考慮長定子直線電機(jī)的自身特點(diǎn)、以及與一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)的不同之處，主要表現(xiàn)為：

（1） 旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子受離心力作用，直線電機(jī)轉(zhuǎn)子不受離心力。

（2） 旋轉(zhuǎn)電機(jī)徑向單邊磁拉力互相抵消，只剩下切向力，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩；直線電機(jī)單邊磁拉力不抵消，正好利用它作為懸浮力。

（3） 直線電機(jī)具有邊緣效應(yīng)。

（4） 一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子繞組長期工作，繞組內(nèi)一直流有電流；而長定子直線電機(jī)定子繞組是短時(shí)間通電，短時(shí)工作。

綜上所述，可見長定子同步直線電動(dòng)機(jī)有其自身的電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)，現(xiàn)歸納如下：

（1） 電機(jī)極數(shù)多，取每極每相槽數(shù)q = 1 ；為便于布置繞組，長定子采用單層繞組，用電纜線直接埋入。

（2） 長定子繞組短時(shí)工作，定子繞組電流密度j1 可選得大一些。

（3） 由于每極每相槽數(shù)q = 1 且采用均勻氣隙，定子齒諧波磁動(dòng)勢(shì)較大，利用其產(chǎn)生的一階和二階齒諧波磁場(chǎng)與裝在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁極表面上的直線發(fā)電機(jī)繞組相互作用，在直線發(fā)電機(jī)繞組中感應(yīng)出交流電，輸出電功率。當(dāng)列車運(yùn)行速度超過100 km/ h 時(shí)，車輛所必需的勵(lì)磁磁能、空調(diào)、照明裝置以及輔助裝置所必需的能源均由直線發(fā)電機(jī)提供。

（4） 轉(zhuǎn)子不受離心力的影響，而且氣隙均勻，因此主極不再需要模壓的極靴。

（5） 利用單邊磁拉力作為懸浮力，因此直線電機(jī)除計(jì)算推力外，還要計(jì)算懸浮力。

（ 6） 邊緣效應(yīng)要用有限元法計(jì)算，對(duì)直軸同步電抗x d 、交軸同步電抗x q 和直軸瞬態(tài)電抗x d ′等參數(shù)及推力要進(jìn)行適當(dāng)修正。

（7）旋轉(zhuǎn)同步電機(jī)的集膚效應(yīng)系數(shù)KF 的計(jì)算公式不能用于直線電機(jī)，頻率f > 30 Hz 時(shí)，直線電機(jī)隨頻率變化的系數(shù)取KF = 1 +0.004（f -30）。另外，因結(jié)構(gòu)不同，旋轉(zhuǎn)同步電機(jī)的機(jī)械損耗和溫升的計(jì)算公式均不適用于直線電機(jī)，需采用新的計(jì)算公式。

（8）懸浮和牽引系統(tǒng)合二為一，可根據(jù)列車重量確定電機(jī)磁路所需勵(lì)磁。先由車重確定懸浮力的大小，然后計(jì)算出氣隙磁密和氣隙磁通，即可確定磁路所需勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。

（9）列車重量在運(yùn)行時(shí)可近似看作常數(shù)，因此懸浮力及產(chǎn)生懸浮力的氣隙磁密基本恒定，運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流以保持氣隙磁密不變，可見推力大小與定子繞組電流成正比。

（10）由速度公式v=2 fτ可知，頻率增加時(shí)，速度增大，運(yùn)行阻力必定增大，因此所需推力及電流須相應(yīng)增大，即頻率最大時(shí)運(yùn)行阻力最大，相應(yīng)的推力及電流的穩(wěn)態(tài)值也將為最大。

圖2 主程序框圖

（12）運(yùn)行時(shí)保持氣隙磁通不變，則電機(jī)磁路各部分的磁通密度也不變，因此磁路所需勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)一定而與頻率無關(guān)。

（13）電樞反應(yīng)發(fā)生在列車所在位置，電樞反應(yīng)電抗及電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)計(jì)算與一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)相同。無列車處，定子繞組只產(chǎn)生漏磁通和漏電動(dòng)勢(shì)。

（14）由于鐵耗近似與頻率的1.3 次方成正比，還與氣隙磁密的平方成正比，而列車重量一定時(shí)氣隙磁密不變，因此鐵耗只隨頻率變化，頻率最大時(shí)鐵耗最大；又由于銅耗與電流的平方成正比，而頻率最大時(shí)電流穩(wěn)態(tài)值最大，因此頻率最大時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的銅耗也最大。

1.3 電磁設(shè)計(jì)程序框圖在長定子同步直線電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，編制了其電磁設(shè)計(jì)程序，主程序框圖如圖2 所示。

2 計(jì)算例題

用本程序?qū)﹂L定子同步直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了計(jì)算，算例尺寸如圖3 所示。列車由兩節(jié)車輛組成，總長54. 2 m，列車總重108. 4 t，最大速度400 km/ h，運(yùn)行阻力60. 4 kN （400 km/ h 時(shí)）。 電動(dòng)機(jī)Y接法，最大相電壓4 500 V，最大相電流1 200 A，供電頻率0～215 Hz，主極極對(duì)數(shù)160，極距258 mm，氣隙10 mm。

圖3 長定子同步直線電動(dòng)機(jī)算例尺寸

計(jì)算得到的參數(shù)值為：75 ℃ 、215 Hz 時(shí)，300 m 供電區(qū)段定子每相電阻為0. 283 8 Ω ，定子漏抗為21021 8Ω ，直軸同步電抗為1. 195 8Ω ，交軸同步電抗為0. 943 3Ω ，勵(lì)磁繞組電阻為0. 815 5Ω ，勵(lì)磁繞組漏抗為0.172 9 Ω。其它主要計(jì)算數(shù)據(jù)為：氣隙磁位降為11 967 A，空載所需勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)為12 630 A，額定負(fù)載時(shí)所需勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)為1 2280 A?？蛰d時(shí)勵(lì)磁繞組電流密度為1. 79 A/mm2，額定負(fù)載時(shí)勵(lì)磁繞組電流密度為1. 74 A/ mm2 ，勵(lì)磁裝置額定電壓為295 V ，額定電流為307 A ，額定容量為90 kW。

300 m 供電區(qū)段內(nèi)，當(dāng)列車以400 km/ h 的速度恒速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)額定相電壓為4441 V ，額定相電流為758 A ，總損耗為647 W ，額定效率為91 %。

3 結(jié)束語

介紹了長定子同步直線電動(dòng)機(jī)的工作原理，指出了其電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)并編制了電磁設(shè)計(jì)程序，為長定子同步直線電動(dòng)機(jī)的計(jì)算提供了依據(jù)。