直線感應(yīng)電機(jī)的有限元仿真與分析
許智斌，方進(jìn)，趙佳
(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)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(jī)的結(jié)構(gòu)特征及其等效電路，闡述了相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法，包括電機(jī)勵(lì)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(jī)樣機(jī)進(jìn)行了電磁分析。通過有限元仿真與分析，得出了電機(jī)內(nèi)部電磁場的分布特點(diǎn)和規(guī)律，研究結(jié)果為直線感應(yīng)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。同時(shí)，仿真結(jié)果對今后電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著重要意義。
關(guān)鍵詞：直線感應(yīng)電機(jī)；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(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)05-0006-04
0 引言 直線感應(yīng)電機(jī)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(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程加速，迫切需要建設(shè)各種經(jīng)濟(jì)、適用的城市軌道交通系統(tǒng)。基于直線感應(yīng)電機(jī)( lim)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的軌道交通系統(tǒng)具有軌道造價(jià)低、截面結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省空間和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)本身結(jié)構(gòu)的特殊性，在對直線電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)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(jī)電磁場動(dòng)態(tài)仿真模型，給出分析結(jié)果，為電機(jī)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)研究提供了理論基礎(chǔ)。
1 直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特征與等效電路
1．1直線感應(yīng)電機(jī)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(jī)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(dāng)三相正弦波電流通入定子繞組時(shí)，初、次級間的氣隙中將產(chǎn)生沿前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)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(dòng)列車前進(jìn)。這種電機(jī)采用低頻直接起動(dòng)。
1.2直線感應(yīng)電機(jī)的等效電路
在不考慮直線感應(yīng)電機(jī)的動(dòng)態(tài)橫向邊緣效應(yīng)和縱向邊緣效應(yīng)時(shí)，可以使用與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)相同的等效電路。由于直線電機(jī)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(jī)在采用非磁性次級時(shí)，次級導(dǎo)體板的漏抗很小，可以認(rèn)為x2=0經(jīng)過這樣的簡化后，在不考慮邊緣效應(yīng)時(shí)，對于非磁性次級的直線電機(jī)可以得到如圖2所示的等效電路[2]。
通常，當(dāng)極數(shù)2p≥6時(shí)，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(jì)。縱向動(dòng)態(tài)邊端效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電流將使直線電機(jī)的損耗增加，功率因素降低，出力減小，在高速運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)中表現(xiàn)顯著，低速情況下則可忽略。
對于一般的直線電機(jī)，其次級導(dǎo)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(jìn)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(jī)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(dǎo)率；wsc為電機(jī)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(jī)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(dǎo)率；σei為修正的鋁板電導(dǎo)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(jià)直線電機(jī)性能最合適的一個(gè)因數(shù)，用來說明直線電機(jī)把一種能力轉(zhuǎn)換為另一種能量的能力。
電機(jī)品質(zhì)因數(shù)
初級等效電流層幅值
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