高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)設(shè)計(jì)研究.pdf

1、與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)相比，直線感應(yīng)電機(jī)具有噪聲小、爬坡能力強(qiáng)、非粘著驅(qū)動(dòng)和通過曲線半徑小等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是效率和功率因數(shù)低制約了其發(fā)展。隨著高溫超導(dǎo)材料技術(shù)的進(jìn)步，高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的研制得以實(shí)現(xiàn)，這為提高直線感應(yīng)電機(jī)效率提供了一種新思路。本文圍繞高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、磁路分析、參數(shù)分析、損耗與效率分析、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響、控制系統(tǒng)、樣機(jī)制造和試驗(yàn)等做了大量工作，全文主要內(nèi)容如下：
　　分析了高溫超導(dǎo)繞組線圈特

2、性，并試驗(yàn)測(cè)試了其交流損耗。依據(jù)高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)初級(jí)繞組通入的三相對(duì)稱交流電，結(jié)合。Maxwell有限元電磁仿真得到的電機(jī)磁感線分布圖，詳細(xì)分析了電機(jī)初級(jí)繞組的磁場(chǎng)極性、次級(jí)感應(yīng)板感應(yīng)電流方向和空氣氣隙磁場(chǎng)的x軸分量與y軸分量。研究了電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)、發(fā)電狀態(tài)和電磁制動(dòng)狀態(tài)時(shí)的電機(jī)推力和電機(jī)法向力。分析了縱向邊端效應(yīng)和橫向邊端效應(yīng)對(duì)電機(jī)性能的影響。
　　介紹了高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的Maxwell2D有限元電磁仿真方法，從電機(jī)設(shè)

3、計(jì)指標(biāo)和電磁負(fù)荷分析入手，詳細(xì)分析了電磁負(fù)荷與電機(jī)主要尺寸之間的關(guān)系以及電機(jī)主要尺寸與參數(shù)的確定方法，給出了高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的極數(shù)、槽數(shù)、繞組和初級(jí)鐵心等主要參數(shù)。
　　根據(jù)得到的高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)繞組參數(shù)，詳細(xì)計(jì)算了高溫超導(dǎo)繞組線圈尺寸，并研究確定了高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的初級(jí)繞組型式。高溫超導(dǎo)繞組線圈臨界電流受背景垂直磁場(chǎng)的影響很大，重點(diǎn)研究了初級(jí)鐵心槽高和槽空白寬對(duì)電機(jī)初級(jí)繞組線圈內(nèi)部磁通密度的影響，并以此作為確定電機(jī)初

4、級(jí)鐵心槽尺寸的依據(jù)。分析了兩種不同結(jié)構(gòu)的制冷系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了本課題中所采用的制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及尺寸。
　　結(jié)合Maxwell有限元電磁仿真結(jié)果，詳細(xì)分析了高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)磁路。由于高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)特殊，傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)的磁路計(jì)算系數(shù)已經(jīng)不再適用于高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)，推導(dǎo)分析了高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的極弧系數(shù)、氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù)和氣隙系數(shù)，計(jì)算了電機(jī)的空氣氣隙磁壓降、齒部磁壓降和軛部磁壓降。詳細(xì)分析了高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的感應(yīng)電

5、動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)，并對(duì)比分析了其勵(lì)磁電流的磁路計(jì)算值和有限元仿真值。
　　分析計(jì)算了高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的主電抗和漏電抗，重點(diǎn)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(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的等效電路和向量圖，分析了負(fù)載條件下電機(jī)的三相繞組電流、電機(jī)推力、電機(jī)法向力、電機(jī)速度和電機(jī)位移波形。高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)損耗主要包括基本鐵耗、電氣損耗、機(jī)械損耗和雜散損耗，重點(diǎn)分析計(jì)算了電機(jī)的基本鐵耗和次級(jí)感應(yīng)板銅耗，并以廣州地鐵4號(hào)線的電

6、氣參數(shù)為例，分析計(jì)算了高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)相比傳統(tǒng)直線感應(yīng)電機(jī)的效率提升率。
　　結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的性能影響很大，本文對(duì)電壓恒定和電流恒定兩種情況下的電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究，電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：初級(jí)繞組線圈匝數(shù)、初級(jí)鐵心槽形(槽高，槽空白寬，齒寬)、初級(jí)鐵心寬度、次級(jí)感應(yīng)板尺寸和空氣氣隙長(zhǎng)度。電機(jī)性能主要包括：電機(jī)推力、電機(jī)法向力、電機(jī)初級(jí)繞組電流和電機(jī)功率因數(shù)。
　　分析了直線牽引試驗(yàn)平臺(tái)的基本原理、硬件構(gòu)

7、成和軟件設(shè)計(jì)。重點(diǎn)研究了基于單神經(jīng)元PID調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制算法。結(jié)合高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)等效電路參數(shù)的特殊性，研究了分離電機(jī)初級(jí)漏電抗和勵(lì)磁電抗的試驗(yàn)方法。根據(jù)空載試驗(yàn)結(jié)果和堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果，得到了銅繞組試制樣機(jī)的等效電路參數(shù)。通過對(duì)比分析銅繞組試制樣機(jī)的負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果和Maxwell有限元電磁仿真結(jié)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(yīng)特性，分析研究了高溫超導(dǎo)