軌道交通用大功率直線感應(yīng)電動機的設(shè)計及特性計算
杜玉梅，金能強
(中國科學(xué)院電工研究所，北京100190)
摘要：針對軌道交通用大功率直線感應(yīng)電動機，采用改進的T型等效電路模型進行了電機設(shè)計及特性計算，設(shè)計中考慮了電機的端部效應(yīng)、端部半填充槽、次級反血板集膚效應(yīng)等特殊結(jié)構(gòu)問題。并據(jù)此設(shè)計制作了樣機，樣機實驗結(jié)果與設(shè)計結(jié)果吻合。同時也給出了不同氣隙下電機特陛的計算結(jié)果。
關(guān)鍵詞：軌道交通；直線感應(yīng)電動機；特性計算；等效電路
中國分類號：TM359．4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2009)12—01122—04
O引 言
直線電動機輪軌交通系統(tǒng)，如圖l所示，是一種采用輪軌支撐及導(dǎo)向、直線電動機驅(qū)動的軌道交通系統(tǒng)。與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動的軌道交通系統(tǒng)相比，直線電動機輪軌系統(tǒng)****特點是其非黏著的直接驅(qū)動方式，由直線感應(yīng)電動機(LIM)產(chǎn)生驅(qū)動力推動車輛運動，而不再依賴輪軌之間的摩擦力傳遞動力.
由于采用了直接驅(qū)動，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)計的靈活性。由于不需要旋轉(zhuǎn)與直線運動變換的齒輪傳動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡化．運行可靠性提高，維護工作量減少。由于車輪小傳遞動力，可降低列車的運行噪聲，且采用電力驅(qū)動，無污染，有利于環(huán)境保護。直線電動機的結(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。這些優(yōu)點使得直線電動機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機是直線軌道交通系統(tǒng)的核心部件之一，它是一個非線性、強耦合的時變系統(tǒng)，勵磁電感和次級電阻等重要參數(shù)隨電機速度、氣隙長度等而變化，并影響著電機的牽引特性。由于與旋轉(zhuǎn)電機在結(jié)構(gòu)上的不同，直線感應(yīng)電動機存在動、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、次級反應(yīng)板集膚效應(yīng)等問題，其理論分析和特性計算更為困難和復(fù)雜，一般必須采用電磁場分析求解其氣隙磁場的解析解，然后才能計算其運行特性。軌道交通直線感應(yīng)電動機采用T型等效電路進行電機的電磁設(shè)計及特性計算，它是一種簡便、直接的方法，其突出優(yōu)點是可以較快完成設(shè)計并進行陛能仿真，為控制系統(tǒng)設(shè)計提供數(shù)據(jù)。
本文采用改進的T型等效電路模型，完成了直線軌道交通實驗線直線感應(yīng)電機的設(shè)計，并仿真計算了其運行特性。據(jù)此設(shè)計制作了樣機，樣機實驗結(jié)果與設(shè)計結(jié)果符合。本文同時也給出了不同氣隙下電機特性的計算結(jié)果。
1軌道交通直線感應(yīng)電機的結(jié)構(gòu)
在現(xiàn)有的直線電動機輪軌交通系統(tǒng)中，采用單邊短初級直線感應(yīng)電動機(SLIM)作為驅(qū)動電機，如日本的直線電動機地鐵系統(tǒng)和加拿大Bombarflier公司的直線電動機軌道交通系統(tǒng)skytrain等。單邊短初級直線感應(yīng)電動機結(jié)構(gòu)如圖2所示。電機的短定子(初級)包括鐵心及三相繞組安置在車上；次級(反應(yīng)板)沿線路布置，由鋁板(或銅板)和鐵軛復(fù)合而成，初級和次級之間為電機的氣隙，為獲得優(yōu)良運行性能，電機氣隙應(yīng)采用機械結(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)，次級反應(yīng)板寬度應(yīng)大于初級鐵心的寬度：
2直線感應(yīng)電動機T型等效電路
與普通旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動機一樣，等效電路也是研究直線感應(yīng)電動機的電磁理論、工作特性及設(shè)計計算的重要工具。圖3是普通旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動機的T型等效電路，它是在各相對稱條件下求得的。當(dāng)已知定子相電壓U1(或相電流I1)，及電機各參數(shù)r1、x1、xm、r2和x2時，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、機械功率、效率、功率因
數(shù)等對應(yīng)于不同滑差率s等運行特性。這樣就使旋轉(zhuǎn)電機的特性計算轉(zhuǎn)化為一個電路計算問題，而電機內(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，計算簡便有效，與優(yōu)化算法相結(jié)合，可以獲得較好的設(shè)計方案[4,5,7]。
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