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        中高速磁浮直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢影響分析

        2022-11-10 04:30:20何云風(fēng)
        微電機(jī) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:磁場發(fā)電機(jī)

        楊 晨,何云風(fēng),張 蕾

        (中車株洲電機(jī)有限公司,湖南 株洲 412001)

        0 引 言

        隨著高鐵發(fā)展對于車輛運(yùn)行速度提高的不斷追求,應(yīng)用磁懸浮技術(shù)的車輛相對依靠輪軌黏著力的傳統(tǒng)車輛具有較好的高速運(yùn)行優(yōu)勢,有能耗低、噪聲小、振動(dòng)小、起動(dòng)制動(dòng)快、爬坡能力強(qiáng)、維護(hù)量少等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用前景非常廣闊[1-3]。

        為了滿足高速運(yùn)行時(shí)磁浮列車的大功率電能傳輸,中高速磁浮列車均采用長定子直線同步電機(jī)結(jié)構(gòu),其電機(jī)定子沿軌道安裝于地面,并由地面供電系統(tǒng)直接進(jìn)行供電,而車載設(shè)備則可由內(nèi)置懸浮電磁鐵中的直線發(fā)電機(jī)在車輛達(dá)到一定運(yùn)行速度以上時(shí)感應(yīng)發(fā)電來供電,該種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)車輛的非接觸供電,取消類似受電弓和車載逆變器等設(shè)備,減重同時(shí)能夠保證磁浮列車高速供電的可靠性和安全性[4-5]。

        針對直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)發(fā)電,國內(nèi)外研究較少。文獻(xiàn)[6]采用電磁場有限元法并引入了“滑動(dòng)表面”模型計(jì)算了感應(yīng)電動(dòng)勢的大小及波形。文獻(xiàn)[7]詳細(xì)分析了定子繞組產(chǎn)生的一階、二階齒諧波發(fā)電的原理,繼而分析了兩種不同直線發(fā)電機(jī)繞組連接方式的感應(yīng)電動(dòng)勢差異。文獻(xiàn)[8]通過解析法導(dǎo)出了感應(yīng)電動(dòng)勢的計(jì)算公式,并利用有限元分析了電機(jī)主要參數(shù)的變化對感應(yīng)電動(dòng)勢的影響。文獻(xiàn)[9]基于發(fā)電線圈的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算編制自動(dòng)計(jì)算程序以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[10]通過高速常導(dǎo)磁浮列車直線電機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)臺和二維電磁場,分析了直線發(fā)電機(jī)的各條發(fā)電特性的波形、大小、頻率及時(shí)間相位差。文獻(xiàn)[11]則對直線發(fā)電系統(tǒng)的升壓斬波器的功能、性能指標(biāo)進(jìn)行了分析研究。

        總的來說,缺少對懸浮電磁鐵上各個(gè)直線發(fā)電機(jī)之間感應(yīng)電動(dòng)勢的分析。

        本文將針對直線發(fā)電機(jī)的非接觸感應(yīng)發(fā)電,簡單介紹了直線發(fā)電機(jī)的基本工作原理,理論推導(dǎo)了感應(yīng)電勢的表達(dá)式,利用有限元仿真分析定子磁場、車輛運(yùn)行速度、氣隙、車輛載荷等對其各個(gè)直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢影響。

        1 直線發(fā)電機(jī)的工作原理

        中高速磁浮列車用長定子直線同步電機(jī)二維橫截面結(jié)構(gòu)如圖1所示。直線電機(jī)定子沿軌道全線鋪設(shè),倒置固定于軌道下方,定子繞組為波繞組;直線電機(jī)動(dòng)子,即懸浮電磁鐵,安裝于車輛底部,成抱軌結(jié)構(gòu)。

        圖1 中高速磁浮列車長定子直線同步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

        標(biāo)準(zhǔn)懸浮電磁鐵一般包含12個(gè)磁極,沿直線排列,通直流電勵(lì)磁后呈N、S極性交替排布。除兩端的2個(gè)端磁極外,另外10個(gè)磁極鐵心均內(nèi)嵌有2個(gè)的發(fā)電線圈,串聯(lián)組成1個(gè)直線發(fā)電機(jī),即單個(gè)懸浮電磁鐵有10個(gè)獨(dú)立的直線發(fā)電機(jī),如圖2所示。

        圖2 懸浮電磁鐵的三維對半結(jié)構(gòu)

        定子磁場和懸浮電磁鐵磁場均通過懸浮電磁鐵鐵心、氣隙、定子鐵心形成閉合磁路。當(dāng)磁浮列車運(yùn)行時(shí),由于定子齒槽效應(yīng)的影響導(dǎo)致氣隙大小呈現(xiàn)周期性變化,此時(shí)氣隙磁場除了與定子電流頻率相同的基波外,還有定子齒槽引起的6倍基波頻率的諧波及其它高次諧波,而直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢主要由6次諧波引起[12]。

        2 理論分析

        長定子直線電機(jī)為直線同步電機(jī),但為了削弱齒槽效應(yīng)對電磁力的影響,其定子極距和懸浮電磁鐵極距設(shè)計(jì)為不相等的電機(jī)結(jié)構(gòu)。

        氣隙磁密主要由磁極磁場和定子磁場決定,但由于每個(gè)磁極與定子相對位置不同,則導(dǎo)致每個(gè)磁極處氣隙磁密受定子磁場影響均不一樣。

        在車輛運(yùn)行時(shí),每個(gè)磁極內(nèi)嵌的直線發(fā)電機(jī)由于定子齒槽導(dǎo)致氣隙周期性變化,穿過閉合發(fā)電線圈的磁通也隨著周期性變化,位置與定子齒對著時(shí)磁通最大,與定子槽對著時(shí)磁通最小。

        2.1 電磁鐵中間位置

        以懸浮電磁體的中間兩個(gè)磁極為例進(jìn)行分析。懸浮電磁鐵與定子的相對位置的特殊兩種狀態(tài),即圖3所示的磁極鐵心發(fā)電線圈環(huán)繞的齒與定子齒對應(yīng)的狀態(tài),圖4所示的與定子槽對應(yīng)的狀態(tài)。

        圖3 電磁鐵中間位置處兩個(gè)磁極初始位置

        假設(shè)條件:(1)忽略磁極的漏磁;(2)忽略軌道定子鐵心和磁極鐵心的磁阻。定子的三相交流電流為

        IA=imsin(ωt+ω)
        IB=imsin(ωt+φ-120°)
        IC=imsin(ωt+φ+120°)

        (1)

        式中,im為交流電流的最大值,ω為電源角速度,t為時(shí)間,ψ為電源初始相位。

        根據(jù)圖3的閉合磁路,有公式:

        2H0δ1=2NI+IC0-IB0
        Φ0=nμ0H0S

        (2)

        式中,H0為t0時(shí)刻氣隙磁場強(qiáng)度,δ1為氣隙大小,μ0為空氣的相對磁導(dǎo)率,S為氣隙的有效截面積,Φ0為t0時(shí)刻磁通,IBo為t0時(shí)刻IB的電流值,ICo為t0時(shí)刻IC的電流值,n為發(fā)電線圈匝數(shù),N為磁極線圈匝數(shù)。

        圖4 移動(dòng)一個(gè)齒寬距離后兩個(gè)磁極位置

        根據(jù)圖4的閉合磁路,有公式:

        2H1(δ1+h)=2NI+IA1+IC1-IB1
        Φ1=nμ0H1S

        (3)

        式中:H1為t1時(shí)刻氣隙磁場強(qiáng)度,h為定子鐵心槽深,Φ1為t1時(shí)刻磁通,IA1為t1時(shí)刻IA的電流值,IB1為t1時(shí)刻IB的電流值,IC1為t1時(shí)刻IC的電流值。

        根據(jù)式(2)和式(3),該單個(gè)發(fā)電線圈的感應(yīng)電勢為

        (4)

        當(dāng)式(4)中ωt0=0,ωt0=30°,ψ=90°,則:

        (5)

        由式(5)可得,在中間處磁極的直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢與定子磁場無關(guān)。

        2.2 電磁鐵端部位置

        端部兩個(gè)磁極在t0時(shí),初始位置如圖5所示。

        圖5 電磁鐵端部位置處兩個(gè)磁極初始位置

        當(dāng)懸浮電磁鐵運(yùn)動(dòng)34 mm距離后,即t2時(shí)刻達(dá)到發(fā)電線圈最大磁通位置,如圖6所示;再運(yùn)動(dòng)一個(gè)齒距43 mm后,即t3時(shí)刻達(dá)到發(fā)電線圈最小磁通位置,如圖7所示。

        圖6 磁通最大時(shí)磁極與定子相對位置

        圖7 磁通最小時(shí)磁極與定子相對位置

        參考式(4),該單個(gè)發(fā)電線圈感應(yīng)電勢為

        (6)

        式中,ωt2=0,ωt3=30°,ψ=90°。假設(shè)I=30 A,im=1.414*1800 A,其它參數(shù)根據(jù)直線電機(jī)結(jié)構(gòu),則:

        (7)

        由式(7)可得,在端部磁極的發(fā)電線圈感應(yīng)電勢與定子磁場相關(guān),不能夠忽略其影響,其對端部磁極的直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢起到增加或者減小的作用。

        3 有限元仿真分析

        因長定子直線電機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu),其定子與動(dòng)子均有齒槽,氣隙磁場分布比較復(fù)雜,通過有限元仿真軟件Ansys能比較直觀的得到各個(gè)直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢波形及電動(dòng)勢大小。

        因此,利用Ansys建立二維動(dòng)態(tài)電磁場仿真模型,分析定子磁場、定子電流、氣隙、載荷等因素對直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢的影響。

        3.1 定子磁場對感應(yīng)電動(dòng)勢的影響

        3.1.1 定子電流為1800 A時(shí)

        當(dāng)定子電流為1800 A,頻率為100 Hz時(shí),從懸浮電磁鐵的左側(cè)到右側(cè),10個(gè)直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢波形如圖8和圖9所示。

        圖8 左側(cè)5個(gè)直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢波形圖(定子電流1800 A)

        圖9 右側(cè)5個(gè)直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢波形圖(定子電流1800 A)

        由圖8 和圖9可得,左側(cè)5個(gè)直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢小于右側(cè)5個(gè)直線發(fā)電機(jī),應(yīng)該是定子磁場對于左側(cè)磁極所產(chǎn)生氣隙磁場起到弱磁作用,而右側(cè)起到增磁作用的原因。這是因?yàn)槎ㄗ訕O距與動(dòng)子極距不相同,導(dǎo)致每個(gè)磁極磁場與定子磁場相對位置關(guān)系不一樣。

        對左側(cè)第一個(gè)直線發(fā)電機(jī)FA1的波形做FFT分析(選取了4個(gè)周期), 得到圖10所示的頻譜圖,其感應(yīng)電勢由一系列諧波組成,其基波頻率為600 Hz,基波電壓的峰值為154.5 V,則該FA1線圈感應(yīng)電壓的峰值為155.7 V。

        圖10 FA1直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢頻譜圖(定子電流1800 A)

        對其它直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢頻譜分析,得到其對應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢峰值如表1所示。

        表1 不同直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(定子電流1800 A)

        3.1.2 定子電流為0 A時(shí)

        定子電流為0 A時(shí),僅動(dòng)子磁極通入電流,因此,發(fā)電線圈感應(yīng)電動(dòng)勢只與動(dòng)子磁場相關(guān)。

        圖11 左側(cè)5個(gè)直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢波形圖(定子電流0 A)

        圖12 右側(cè)5個(gè)直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢波形圖(定子電流0 A)

        圖13 FA1直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢頻譜圖(定子電流0 A)

        表2 不同直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(定子電流0 A)

        由表2可得,僅動(dòng)子通電工況下所得各個(gè)直線電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢大小相差較小,且感應(yīng)電壓峰值的平均值大小與表1的定子動(dòng)子均通電工況基本一致。

        3.1.3 結(jié)果分析

        根據(jù)表1和表2的各個(gè)直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢大小對比分析,位于中間位置的FA5和FA6磁極的內(nèi)嵌直線發(fā)發(fā)電機(jī)受定子磁場影響很小,而從中間往兩側(cè),受影響依次增大,最外端FA1和FA10直線發(fā)電機(jī)受定子磁場影響最大。

        有限元仿真結(jié)果與理論分析結(jié)論保持一致,說明不同位置的直線發(fā)電機(jī)受定子磁場影響均不同,即其感應(yīng)電動(dòng)勢大小均不同。

        3.2 定子電流對感應(yīng)電動(dòng)勢的影響

        前面節(jié)分析了定子磁場對直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢的影響,該節(jié)分析定子磁場的強(qiáng)弱對直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢的影響。通過定子電流分別為1300 A、1500 A、1800 A三種情況仿真分析,電流頻率和磁極勵(lì)磁電流均保持相同。各個(gè)直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢如表3所示。

        表3 定子電流大小不同情況下的直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢

        由表3可得,中間位置磁極內(nèi)嵌的直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢受定子電流影響小,而左側(cè)端部磁極的直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢隨著定子電流增大依次減小,右側(cè)端部磁極的直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢隨著定子電流增大依次增大。

        3.3 車輛運(yùn)行速度對感應(yīng)電動(dòng)勢的影響

        考慮不同運(yùn)行速度時(shí)發(fā)電線圈感應(yīng)電勢,采用定子無電流的有限元模型,仿真得到不同速度對應(yīng)的感應(yīng)電勢平均值,結(jié)果如表4所示。

        表4 不同車輛速度對應(yīng)的直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢

        由表4可得,直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢峰值的平均值與車輛速度之比例大概為0.968,且隨著速度增大而增大。根據(jù)資料,上海磁浮線直線發(fā)電機(jī)的空載電壓為0~350VAC,頻率為0 Hz~1615 Hz。表中,500 km/h速度對應(yīng)電壓峰值為483.5 V,其有效值為341.9 V,說明仿真結(jié)果比較準(zhǔn)確。

        3.4 氣隙對感應(yīng)電動(dòng)勢的影響

        車輛正常運(yùn)行時(shí),氣隙受軌道平整度影響是在時(shí)時(shí)波動(dòng),而此時(shí)車輛重量不變,氣隙變化則磁極勵(lì)磁電流也會(huì)實(shí)時(shí)調(diào)整。因此仿真分析了機(jī)械間隙分別為8 mm、9 mm、10 mm的工況直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢,結(jié)果如表5所示。

        表5 不同機(jī)械間隙時(shí)直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢

        由表5可得,在車重不變的情況,即懸浮電磁鐵所產(chǎn)生懸浮力不變,當(dāng)氣隙增大時(shí),各個(gè)直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢相應(yīng)減小。

        對于懸浮力不變的不同氣隙工況,即I/δ為常數(shù),將該式代入式(5)或者式(6)可知,感應(yīng)電動(dòng)勢與氣隙大小成反比關(guān)系,即該仿真結(jié)果與理論分析相符。

        3.5 載荷對感應(yīng)電動(dòng)勢的影響

        車輛運(yùn)行時(shí),由于站點(diǎn)載客變動(dòng)導(dǎo)致車輛重量發(fā)生變化,懸浮電磁鐵磁極勵(lì)磁電流也會(huì)相應(yīng)調(diào)整。因此仿真分析了不同載荷工況時(shí)直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢值,結(jié)果如表6所示。

        表6 不同車輛載荷時(shí)直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢

        由表6可得,從AW0到AW3載荷,隨著車輛總重量增加,懸浮電磁鐵勵(lì)磁電流也增大,相應(yīng)地氣隙磁密也增大,因此直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢也增大。

        4 結(jié) 論

        本文介紹了安裝于中高速磁浮長定子直線同步電機(jī)動(dòng)子——懸浮電磁鐵中直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)發(fā)電原理,通過等效磁路的方式分析了兩個(gè)特殊位置處直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢表達(dá)式,仿真分析了定子磁場、定子電流、車輛運(yùn)行速度、氣隙、車輛載荷等各個(gè)影響因子對不同位置的直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢的影響,并得出以下結(jié)論:

        (1)不同位置處直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢大小均不相同。沿運(yùn)動(dòng)方向,不同位置處直線發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢值依次增大,中間位置的直線發(fā)電機(jī)受定子磁場影響最弱,兩端位置的直線發(fā)電機(jī)受定子磁場影響最強(qiáng)。

        (2)定子電流增大,中間位置的直線發(fā)電的感應(yīng)電動(dòng)勢變化較小,而兩端位置的直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢隨著電流增加而相應(yīng)增大或者減小。

        (3)車輛運(yùn)行速度越快,則直線發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢越大,且電壓峰值的平均值與車輛速度成近似線性關(guān)系,比例大概為0.967 V/(km/h)。

        (4)車重不變,直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢隨著氣隙增大而減小。

        (5)車輛載荷增加,即氣隙磁場增大,直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢也隨著變大。

        以上分析結(jié)論可為中高速磁浮列車直線發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的理論參考。

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