直线感应牵引电机的特性分析及其控制技术.docx
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直线感应牵引电机的特性分析及其控制技术
课程名称：
牵引电机课程设计
设计题目：
直线感应牵引电机的特性
分析及其控制技术
院系：
专业：
年级：
姓名：
指导教师：
西南交通大学峨眉校区
2012年10月16日
课程设计任务书
专业姓名学号
开题日期：
2012年9月6日完成日期：
2012年10月15日
题目：
直线感应牵引电机的特性分析及其控制
技术
一、设计的目的
通过该设计，讨论直线感应牵引电机的设计计算、运行特性和应用实例，
初步掌握直线感应牵引电机的组成、使用原理及其特性，了解直线感应牵引电
机的发展和应用，并适当掌握其控制技术的方法、原理。
二、设计的内容及要求
1、了解直线感应牵引电机的组成及使用原理分类及其发展应用；
2、研究直线感应牵引电机的特性；
3、考虑边端效应的直线感应牵引电机的控制方法。
三、指导教师评语
四、成绩
指导教师（签章）
年月日
摘要
直线感应电机作为一种新型动力设备，由于其具有的独特性能和特点，使其在当今工业领域内有着较为广泛的应用。
而在轨道交通领域，更是有着广泛的应用前景。
其不仅可用作磁悬浮列车的牵引电机，也可用于城市轨道交通轮轨系统中驱动地铁车辆。
目前在这两方面世界上都有成功的运用范例。
本论文主要是对用于交通领域的直线感应牵引电机的特性和控制进行了研究。
本文首先介绍了直线感应电机的原理和特点，随后运用电磁场理论，对直线感应电机作了较为详尽的分析。
在这些特性分析的基础上，对可能运用于直线感应电机控制的几大基本控制策略进行了分析比较。
本文阐述了对电机性能影响最大的纵向边端效应，通过电磁场分析得到该效应对磁场的负面作用，并使用有效初级绕组相感应电势的方式得到等效系数。
通过该等效系数将纵向边端效应考虑到等效电路中去，使考虑纵向边緣效应的电机特性很方便得到计算。
实验中分别讨论了电机在不同气隙和供电频率下的推力、法向力、次级功率因数和效率的变化曲线，为直线感应牵引电机的特性分析和在轨道交通中的应用提供了重要方法和依据。
关键词直线感应牵引电机；等效电路；边端效应；特牲分析；牵引控制
目录
第一章绪论
1.1引言………………………………………………………………………………1
1.2直线电机的应用及发展…………………………………………………………1
1.2.1直线电机在工业中的应用………………………………………………2
1.2.2直线电机在交通领域中的应用…………………………………………2
1.2.3直线电机在国内的应用及发展…………………………………………3
1.2.4直线电机在交通中的应用优势…………………………………………4
1.3本课程设计的任务和要求………………………………………………………5
第二章直线感应电机的工作原理和特点
2.1直线感应电机的工作原理………………………………………………………5
2.2直线感应电机的特点……………………………………………………………6
2.3直线感应电机的分类……………………………………………………………6
2.4直线感应电机的边端效应………………………………………………………7
2.4.1纵向边端效应……………………………………………………………7
2.4.1.1静态纵向边端效应………………………………………………7
2.4.1.2动态纵向边端效应………………………………………………8
2.4.2横向边端效应……………………………………………………………8
2.4.2.1静态横向边端效应………………………………………………8
2.4.2.2动态横向边端效应………………………………………………9
2.4.3边端效应及电机模型……………………………………………………10
第三章直线感应牵引电机特性分析
3.1直线感应电机的等效电路法与特性……………………………………………13
3.2完全等效电路法的计算…………………………………………………………16
3.2.1不同频率与不同气隙时推力变化………………………………………16
3.2.2不同频率与不同气隙时次级功率因数变化……………………………17
3.2.3不同频率与不同气隙时效率的变化……………………………………17
3.2.4不同频率时法向力变化…………………………………………………18
第四章直线电机牵引控制系统
4.1常见的电机控制策略及其应用特点……………………………………………19
4.1.1标量控制…………………………………………………………………19
4.1.2矢量控制…………………………………………………………………20
4.1.3直接转矩控制和直接推力控制…………………………………………21
4.2直接推力控制在直线感应电机传动中应用的若干问题………………………22
结语……………………………………………………………………………………25
参考文献………………………………………………………………………………25
第一章绪论
1．1引言
直线感应电机是一种较为新颖的电机，主要是由于直线感应电机没有从旋转运动到直线运动的变换装置，是一种能将电能直接转换成直线机械能的电力传动装置。
尽管早在19世纪就有人提出了这种传动装置，且实际生活中许多场合也需要直线运动，但过去很长一段时期，由于没有充分发挥直线感应电机的长处，避免和克服它的短处，因此在需要直线运动的场合中，还大多釆用技术上早已成熟的旋转电机。
实践证明，直线电机只有向着其它驱动装置所不能满足，或者使用其它驱动装置有困难，经济上不合算的领域发展，才能找到直线电机独特的应用领域。
因此近几十年来直线电机才被真正开发应用在工业生产中，形成了产品和商品。
1．2直线电机的应用及发展
直线电机的发展经历了漫长的历史。
早在1845年Wheatstone就提出和制作了略具雏形的直线电动机。
到如今，已有近160年的历史了，在这段过程中，直线电机大致经历了探索试验、开发应用和使用商品化三个阶段。
从1840年到1955年的116年期间，直线电机从设想到试验到部分实验性应用，经历了一个不断探索的过程。
在1890年，有人想用它来推动织布机上的梭子，并发表了关于这方面的专利，这也是直线电机最早的一个专利。
这个想法的延伸导致了现代电磁炮的产生。
在1905年，有人提出用它来作为推动列车的动力，虽然当时由于其经济性，可靠性等方面没有竞争力，未能实现。
可是研究人员却对这个想法给与了持续的关注，近几十年来，磁悬浮列车终于在德国，日本、中国等国建立起试验和试运行线路，获得了试验性的应用和成功。
同时，直线电机在地铁轮轨城市交通系统上也得到了成功的运用。
从上面可以看到，尽管当时的一些想法并未超出试验阶段，但是这些想法和尝试却为后来的成功提供了宝贵的经验。
上世纪三、四十年代，直线电机进入了实验阶段。
1945年，美国西屋电气公司首先研制成功电力牵引飞机弹射器，随后，美国利用直线电机制成用作抽汲钾、钠等液态金属的电磁泵。
1954年，英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电机制成了发射导弹的装置。
但是这个时期直线电机始终没有能够得到真正的应用。
其原因大致在于以下几方面：
1、直线电机的电磁气隙与极距的比值通常高于旋转电机，因此激磁电流较大，另外存在由于铁芯两端开断产生的边端效应，于是直线电机的效率和功率因数比同容量旋转电机的低。
这个概念牢固地束缚了直线电机的应用，使它无法与旋转电机相抗衡；
2、没能找到唯独它适用的或者有很大优势的领域；
3、直线电机的控制线路及其装置费用成为它发展的障碍，因为当时控制技术不完善、元器件昂贵且性能欠佳。
4、直线电机理论发展缓慢，设计上存在缺陷，没有对应用起到促进和预见作用。
以上这些使得人们对直线电机一度失去信心。
直至上世纪五十年代中期，控制、材料技术的飞速发展和新型控制元器件的不断出现为直线电机的广泛应用打开了方便之门。
同时对直线电机的研究也更加深入。
人们也逐渐接受了新的概念，认为直线电机的较低效率可以用增加整个装置的传动效率来补偿，而直线电机独有的特点，使其在某些领域如磁悬浮等有其独有的优越性。
人们观念的改变以及因此而产生的需求成为直线电机的发展的原动力。
随后直线电机的研究和应用不断发展，世界各国出现了许多直线电机的产品，并得到良好的运用，取得较好的效果。
这些产品应用主要在工业应用领域和交通领域。
虽然直线电机市场远不及旋转电机，目前直线电机产品还有相当的竞争力，因为一些直线电机厂家总可获得较好的利润和业绩。
1.2.1直线电机在工业中的应用
由于其独有的特点和性能，直线电机在工业应用领域得到广泛的应用，且新的应用领域及新的产品不断出现如有前苏联生产的液态金属电磁泵、美国XYNETICS公司生产的自动绘图仪、法国生产的直线电机记录仪、EdwardsofEnfield公司生产的铝和有色金属工业用的新型挤拉机、日本三洋公司生产的直线电机驱动的电唱机、英国HerbertMorris公司生产的桥式吊车、传送带和一般机械搬运设备等。
近二十年来，不仅直线电机的新产品层出不穷，而且新原理直线电机也不少6例如超声波直线电机，微步距直线电机等等。
1.2.2直线电机在交通领域中的应用
而在交通领域的应用，是在二十世纪七十年代后得到迅猛的发展。
德国于1977年开始发展常导吸引式磁悬浮列车，1987年就建成了一长31.5km的埃姆斯兰特（Etnsland）闭合单线试验线，对经长期发展已大体定型的TR型实用车进行了长期运行试验。
1991年经全面评价、鉴定，得出该系统在技术上应用成熟的结论。
日本一直致力于发展超导电动式磁悬浮列车，1972年研制成M1—100试验车，1990年决定在东京—大阪线路中的一段先建山梨试验线，全长18.4knw，1977年开始试验，无人行驶的速度己达550kra/h，载人行驶的速度己达531km/h，双线对开的速度已达800km/h，进展良好。
与此同时，直线电机在城市牵引轮轨系统中的应用也得到良好的发展。
该应用的发展始于大约在1970年，英国工程师首次成功地将该技术应用于轨行气垫船工程。
此工程结束后，部分工程师移居加拿大，并为市郊运输设计了一种产品，作为安大略湖政府开发的中等容量运输系统的一部分，1985年首先在多伦多市kingston建成了一条6。
4km直线电机运载系统试验线。
1986年初在温哥华建成28。
9km的Skytrain无人驾驶系统。
2002年又将其延伸至51km，是目前世界上最长的直线电机牵引轮轨系统。
日本是在1978年开始研究将直线电机牵引技术应用于城市轨道交通系统的。
1981年到1984年为基础研究阶段，1985年到1987年为使用开发阶段。
1990年日本的第一条直线电机牵引的地铁系统一大阪地铁7号线投入运营。
1995年日本东京地铁1号线开通运营。
现在日本7个城市选用直线电机牵引系统来使用日趋紧张的地下空间资源，己经投入使用和计划建设中的线路总长将超过1201am另外该系统也在马来西亚、美国等得到良好的运用，
1.2.3直线电机在国内的应用及发展
直线电机理论在国内也取得了很大的发展，有关的文献和书刊不断出版，基于电磁场理论直线电机进行分析与计算的文章也陆续报导。
相对于国外，国内的直线电机研究起步较晚，发展不稳定，七十年代比较热，八十年代前期滞退，八十年代后期至今又有较大发展。
国内出版的文献和专著数量也体现了这一特点。
目前国内己经有一支稳定的研究开发队伍，并不断发展壮大，现在相比较以前，科技人员更加注重产品化，研究单位和企业的接触也更加频繁，合作的面越来越广。
浙江大学成立了研究所，并和企业联合成立了一家公司负责产品研制。
自从1982年开始，全国直线电机学术会议定期召开，会上既有论文的交流，也有新成果的展现。
我国在直线电机的应用上也取得了可喜的成果，例如浙江大学的遥控直线电机窗帘机、世界首创的新型电磁式直线电机冲床、圆盘直线电机驱动并利用其电磁内热的炒茶机、西安交通大学的一种“新型电磁打泊机”、上海工业大学的浮法玻璃生产用的直线电机、直线电机驱动的“自动门”，中国科学院电工研究所的“平面直线电机绘图仪”等等。
在交通领域，上世纪八十年代国防科技大学、铁道部科学研究院和西南交通大学等单位都开始了对磁悬浮列车的基础研究工作，国防科技大学与株洲电力机车研究所还合作研制了一台实验室磁悬浮小型车。
1991年，国家科委将磁悬浮列车列为国家“八五”攻关项目，组织了以铁道部科学研究院硕士学位论文第一章绪论牵头，国防科技大学、中国科学院电工研究所、长春客车厂和西南交通大学等单位参加的科技攻关队伍，投资四百万元，研制14吨磁悬浮列车，己经取得了阶段性成果，顺利研制出一个磁浮转向架和实验室内低速行进的磁悬浮列车。
随着广州四、五号线直线电机轨道交通系统的兴建，国家为了支持其应用研究工作，国家发展与改革委员会正在对《城市直线电机轨道交通关键技术与设备研究开发》的研究课题进行积极的前期组织及准备工作。
城市轨道交通研究中心、建设部地铁与轻轨研究中心、株洲电力机车研究所、永济电机厂等研究部门及厂家进行了多次的交流，为课题研究的顺利进行提供了可靠的保证。
在国家为强大的后盾下，相信直线电机系统作为一项新型的轨道交通系统，将带动新的产业的发展，具有良好的发展前景。
1.2.4直线电机在交通中的应用优势
正如前所述，直线电机有不同于旋转电机的独有特点和性能。
结合其性能特点，在适当的领域进行开发利用，可使其保持强大的生命力。
这在交通领域的应用得到证实。
从目前来看，直线电机可称为磁悬浮列车独一无二的选择，这是因为其不需借助轮轨粘着即可产生和传递牵引力。
而用轮轨作为支撑和导向的城市轨道交通系统，利用直线电机作为牵引动力源，也有其独特的优势。
加拿大、日本等国的相关系统中得到利用和证实。
直线电机牵引的技术优势如下：
•无粘着牵引，调速性能稳定，加速快，受天气及环境因素影响小。
•传动方式简单，无中间传动机构，噪声低，重量轻。
•维护简单，无轴承磨损，散热好，使用寿命长。
•轨道曲线半径小（50m左右），爬坡能力强。
相对最大3%坡度的旋转电机驱动，可达6%—8%的坡度。
•车辆地板低，对于地铁，隧道断面面积小，工程造价低。
1.3本课程设计的任务和要求
设计的目的:
通过该设计，讨论直线感应牵引电机的设计计算、运行特性和应用实例，初步掌握直线感应牵引电机的组成、使用原理及其特性，了解直线感应牵引电机的发展和应用，并适当掌握其控制技术的方法、原理。
设计的内容及要求
1、了解直线感应牵引电机的组成及使用原理分类及其发展应用；
2、研究直线感应牵引电机的特性；
3、考虑边端效应的直线感应牵引电机的控制方法。
第二章直线感应电机的工作原理和特点
2.1直线感应电机的工作原理
直线电机可以认为是旋转电机在结构上的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机沿圆周展成直线（如图2-1所示），这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。
由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。
图2-1旋转电机转化为直线电机
直线感应电机不仅在结构上与旋转感应电机相类似，其工作原理也是相似的。
以单边扁平型直线感应电机为例，其基本工作原理是：
当初级三相绕组通入三相对称正弦交流电时，就会产生气隙磁场。
当只考虑正向基波磁场时，气隙磁场沿初级呈正弦分布。
当三相电流随时间变化时，气隙磁场将沿初级做直线平移运动，这个平移的气隙磁场就是行波磁场。
再由楞次定律可知，行波磁场将在次级导体板上产生感应电流。
又由安培定律可知，次级导体板中的感应电流和气隙磁场相互作用便产生连续的电磁推力。
2.2直线感应电机的特点
直线感应电机可广泛应用于交通、运输、传送装置及其他各种直线运动的场合，和旋转电机相比，它有以下优点:
1、无需任何中间传动装置，直接产生直线运动机械能，保证了运行的可靠性，提高了传递效率，降低了制造成本，易于维护。
2、直线感应电机的速度不受限制，可以通过调速装置提高电机的速度。
3、直线感应电机运行过程中，无机械接触，从而使机械损耗大大减少。
4、直线感应电机的结构简单，散热效果好，使用时受周围环境的影响小，
当然，直线感应电机也存在不足之处：
1、直线感应电机的气隙大，故所需的磁化电流也较大。
2、直线感应电机的初、次级开断导致了边端效应的产生，从而使LIM的功率因数和效率都比较低。
2.3直线感应电机的分类
直线感应电机与旋转感应电机的定子侧对应的一侧称为初级，与转子侧对应的一侧称为次级。
直线感应电机可以有两个面对面的初级构成一台电机，称之为双边直线感应电机如图2-4和2-5所示。
只有一个初级的直线感应电机，称之为单边直线感应电机如图2-2和2-3所示。
直线感应电机驱动有两种方式，即可以让次级运动，也可以让初级运动。
无论哪种方式，都必须将固定的一侧做的足够长，以保证在整个运动范围内初、次级之间保持藕合关系。
当固定初级让次级运动，称之为长初级直线感应电机如图2-3和2-5所示；也可以固定次级让初级运动，称之为短初级直线感应电机如图2-2和2-4所示。
2.4直线感应电机的边端效应
从物理结构上来看，直线电机与旋转电机的区别主要是结构上不再具有对称性，有了铁心的开断，这样就会引起电磁场的不对称，在文献[17]中将这种电磁场边端的畸变分成的四类边端效应，分别是静态纵向边端效应、动态纵向边端效应、静态横向边端效应以及动态横向边端效应，在此给予介绍。
2.4.1纵向边端效应
2.4.1.1静态纵向边端效应
由于直线感应电机的铁心开断和绕组的不连续，造成直线感应电机各相绕组的阻抗不对称，因此即使在加上三相对称电压时，三相绕组中流过的三相电流也不可能对称。
利用对称分量法将其分解成正序、负序和零序电流，对应产生正向行波磁场、反向行波磁场和脉振磁场。
其中后两类磁场是在运行过程中将产生阻力，增加损耗，使直线感应电机的推力和效率降低，而且由于反向行波磁场和脉振磁场是铁心开断引起的，所以是无法通过附加措施完全消除的。
此种效应在次级静止时就存在，因此称为直线电机的静态纵向边端效应。
图2-6动态纵向边端效应解释示意图
2.4.1.2动态纵向边端效应
当直线感应电机运行时，由于次级导体板突然进人和离开初级区域而造成的边缘瞬时效应，称为动态纵向边端效应。
为了说明这种边端效应，假定气隙中只存在正向行波磁场，且次级与行波磁场同步运行，此时次级与行波磁场保持相对静止，因此，次级导体板上应该没有感应电流产生。
但是，实际上次级导体板上仍能产生感应电流。
如图2-6所示，当C在C2位置时，因为次级与行波磁场是相对静止的，所以在电路C中没有感应电流的存在。
同样，当C在C0和C4位置时，因为没有行波磁场的存在，故在电路C中也没有感应电流的存在。
但是当C处在Cl、C3位置时，在电路中就有感应电流的产生，因为这时由于有铁心开断端，在次级进人C，和离开C3位置时，与次级导体板相交链的磁通发生了变化，有电磁感应原理可知次级中会产生抵抗磁场变化的感应电流，这种感应电流称为动态纵向边端效应电流，它使移动磁场发生畸变，从而引起附加损耗，降低电机的效率。
2.4.2横向边端效应
2.4.2.1静态横向边端效应
所谓静态横向边端效应就是指电机横向两个边端之间，由于磁场扩散而导致气隙磁场横向分布的不均匀现象。
由2-7图可见，在铁心宽度方向（即横向）的中间部分磁场分布基本上是均匀的，而在横向的边缘区域磁场有所削弱。
按图2-7所示的磁场分布可以做出边缘区域的磁通密度沿横向的分布曲线（如2-8所示）。
对于直线感应电机，一般其次级导体板的横向宽度常常是大于初级铁心叠片的宽度。
所以通常可以不考虑由于横向边缘磁通密度分布不均匀所产生的主磁通总量的变化，即可以不考虑静态横向边端效应。
但是，对于像电磁泵一类的直线电机，因其次级导体板的宽度与初级铁心叠片的宽度往往是相等的，而且电磁气隙与初级铁心的宽度的比值又较大，这就必须考虑静态横向边端效应。
2.4.2.2动态横向边端效应
所谓的动态横向边端效应是指当次级导体板中有感应电流流过时，感应电流对气隙磁场沿横向分布的影响。
若次级导体板沿横向伸出铁心的部分是用超导材料制成的，也就是说次级导体板仅在铁心叠厚范围内存在电阻，此时次级导体板上的电流分布如图2-9a所示。
由图可见，在铁心叠厚范围内电流分布是平行的，即只有Y轴方向的分量。
对应于这样的电流分布，其对空载气隙磁密在沿横向的分布影响如2-9b所示。
由图可见，在不存在端部电阻的情况下，次级导体板感应电流的存在，仅改变合成气隙磁通密度的幅值，而不改变它在沿横向分布的形状。
但是事实上，次级导体板的端部是不可能用超导材料制成，因此也就有电阻存在。
由于端部有电阻存在，在铁心叠厚范围内电流分布不再如图2-9a中所示，而是如图2-10a所示。
由图可见，次级电流在铁心叠厚范围内不仅有y轴方向的分量，而且还存在着X轴方向的分量，次级导体板中的电流有一部分在铁心叠厚范围内就闭合了。
对图2-10a的次级导体板中电流的分布，其合成的气隙磁通密度分布的形状将呈马鞍形分布，它与空载时气隙磁通密度分布的形状大不相同，如图2-10b所示。
2.4.3边端效应及电机模型
直线电机如图1所示，其工作原理与旋转感应电机完全一致。
但由于直线电机的边端效应，表现出与旋转电机不同的特点。
直线电机的边端效应有纵向边端效应和横向边端效应。
由于直线电机次级导体板宽度常常大于初级铁心叠片厚度，通常可以不考虑第一类横向边端效应。
当电机极数大于或等于6，或3台相同的直线电机一起使用，利用它的拓扑连接，可基本消除第一类纵向边端效应。
第二类横向边端效应的影响也非常有限。
事实上，电机模型参数若从试验中取得，它已反映了第二类横向边端效应的影响。
因此，本文主要考虑第二类纵向边端效应（也称之为动态纵向边端效应）的影响。
以下分析从某一特定部分的次级导体入手，进而分析整个电机的边端效应及其影响。
当某部分次级导体进入初级下的气隙，也即从无磁区进入磁链区，磁通发生突变，从而在次级导体中滋生出感应电势及电流。
此时次级导体未完全进入初级，它的电感也就相当小，因此电流的上升相当迅速，其时间常数为Tls=La2/R2。
由于漏感相当小，如果直线电机的励磁电流记为i0，次级导体中马上滋生出的感应电流也可视为-i0，从而保证该部分次级导体交链的磁通为0。
负号代表该边端效应动生磁链与励磁电流产生的磁链方向相反。
而当该次级导体部分已完全进入初级，如果只单纯考虑边端效应的影响，可视为次级导体与初级的行波磁场前进速度一致，次级的感应电流以指数形式逐渐减少，时间常数T2=L2/R2。
边端效应感应电流记为ie，则ie=-i0，当该部分次级导体离开初级，它所交链的磁通突降，次级电流再次突变反抗磁通的变化。
随后次级逐渐远离初级，边端效应动生电流幅值迅速下降。
显然，此时电流的时间常数Tlt=La2/R2。
综上所述，当初级以速度v前进，则该次级导体特定部分从入端到出端边端效应动生电流如图2所示。
其中，l为直线电机初级长度（即电机气隙纵向长度）。
如图2所示，边端效应动生电流随时间（也即随位置）变化。
该电流在气隙纵向长度内可视为衰减的直流量。
如果它叠加在滑差频率的次级电流上，并以v速前行，则合成电流产生同步速度的次级行波磁通势。
该边端效应动生电流在气隙长度范围内起到削弱气隙行波磁场的作用。
大家知道，旋转电机气隙合成磁通势是时间和位置的函数。
直线电机行波磁通势同样如此。
不考虑边端效应，其气隙行波磁通势可表示为：
从以上分析可知，气隙内边端效应动生电流的磁通势可表示为：
次级感生磁通势K始端幅值（当x=0）随时间周期变化。
它在一个周期内沿气隙的磁通势绝对平均值可算得：
式
（1）体现了在不考虑磁饱和的情况下次级边端效应对气隙磁场的影响
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