高溫超導直線感應電機設計研究.pdf

1、與旋轉感應電機相比，直線感應電機具有噪聲小、爬坡能力強、非粘著驅動和通過曲線半徑小等諸多優(yōu)點，但是效率和功率因數(shù)低制約了其發(fā)展。隨著高溫超導材料技術的進步，高溫超導直線感應電機的研制得以實現(xiàn)，這為提高直線感應電機效率提供了一種新思路。本文圍繞高溫超導直線感應電機的工作原理、結構設計、磁路分析、參數(shù)分析、損耗與效率分析、結構參數(shù)對電機性能的影響、控制系統(tǒng)、樣機制造和試驗等做了大量工作，全文主要內容如下：
　　分析了高溫超導繞組線圈特

2、性，并試驗測試了其交流損耗。依據(jù)高溫超導直線感應電機初級繞組通入的三相對稱交流電，結合。Maxwell有限元電磁仿真得到的電機磁感線分布圖，詳細分析了電機初級繞組的磁場極性、次級感應板感應電流方向和空氣氣隙磁場的x軸分量與y軸分量。研究了電機處于電動狀態(tài)、發(fā)電狀態(tài)和電磁制動狀態(tài)時的電機推力和電機法向力。分析了縱向邊端效應和橫向邊端效應對電機性能的影響。
　　介紹了高溫超導直線感應電機的Maxwell2D有限元電磁仿真方法，從電機設

3、計指標和電磁負荷分析入手，詳細分析了電磁負荷與電機主要尺寸之間的關系以及電機主要尺寸與參數(shù)的確定方法，給出了高溫超導直線感應電機的極數(shù)、槽數(shù)、繞組和初級鐵心等主要參數(shù)。
　　根據(jù)得到的高溫超導直線感應電機繞組參數(shù)，詳細計算了高溫超導繞組線圈尺寸，并研究確定了高溫超導直線感應電機的初級繞組型式。高溫超導繞組線圈臨界電流受背景垂直磁場的影響很大，重點研究了初級鐵心槽高和槽空白寬對電機初級繞組線圈內部磁通密度的影響，并以此作為確定電機初

4、級鐵心槽尺寸的依據(jù)。分析了兩種不同結構的制冷系統(tǒng)，并詳細介紹了本課題中所采用的制冷系統(tǒng)結構及尺寸。
　　結合Maxwell有限元電磁仿真結果，詳細分析了高溫超導直線感應電機磁路。由于高溫超導直線感應電機結構特殊，傳統(tǒng)感應電機的磁路計算系數(shù)已經不再適用于高溫超導直線感應電機，推導分析了高溫超導直線感應電機的極弧系數(shù)、氣隙磁場波形系數(shù)和氣隙系數(shù)，計算了電機的空氣氣隙磁壓降、齒部磁壓降和軛部磁壓降。詳細分析了高溫超導直線感應電機的感應電

5、動勢和磁動勢，并對比分析了其勵磁電流的磁路計算值和有限元仿真值。
　　分析計算了高溫超導直線感應電機的主電抗和漏電抗，重點分析了漏電抗中的槽漏抗、諧波漏抗和端部漏抗。研究了高溫超導直線感應電機的等效電路和向量圖，分析了負載條件下電機的三相繞組電流、電機推力、電機法向力、電機速度和電機位移波形。高溫超導直線感應電機損耗主要包括基本鐵耗、電氣損耗、機械損耗和雜散損耗，重點分析計算了電機的基本鐵耗和次級感應板銅耗，并以廣州地鐵4號線的電

6、氣參數(shù)為例，分析計算了高溫超導直線感應電機相比傳統(tǒng)直線感應電機的效率提升率。
　　結構參數(shù)對高溫超導直線感應電機的性能影響很大，本文對電壓恒定和電流恒定兩種情況下的電機結構參數(shù)進行了研究，電機結構參數(shù)主要包括：初級繞組線圈匝數(shù)、初級鐵心槽形(槽高，槽空白寬，齒寬)、初級鐵心寬度、次級感應板尺寸和空氣氣隙長度。電機性能主要包括：電機推力、電機法向力、電機初級繞組電流和電機功率因數(shù)。
　　分析了直線牽引試驗平臺的基本原理、硬件構

7、成和軟件設計。重點研究了基于單神經元PID調節(jié)器的轉子磁場定向矢量控制算法。結合高溫超導直線感應電機等效電路參數(shù)的特殊性，研究了分離電機初級漏電抗和勵磁電抗的試驗方法。根據(jù)空載試驗結果和堵轉試驗結果，得到了銅繞組試制樣機的等效電路參數(shù)。通過對比分析銅繞組試制樣機的負載試驗結果和Maxwell有限元電磁仿真結果，得到了用于修正Maxwell2D有限元電磁仿真推力的修正系數(shù)kFx。根據(jù)一階RL串聯(lián)電路的電流零狀態(tài)響應特性，分析研究了高溫超導