團(tuán)隊(duì)介紹

北京交通大學(xué)直線電機(jī)與控制研究室隸屬電力牽引教育部工程研究中心，團(tuán)隊(duì)結(jié)合國(guó)家重大需求和學(xué)科前沿，長(zhǎng)期從事軌道交通直線電機(jī)與磁懸浮技術(shù)領(lǐng)域的研究，已形成軌道交通直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高速磁浮系統(tǒng)新型電磁牽引與懸浮導(dǎo)向技術(shù)、車(chē)載無(wú)接觸直線諧波發(fā)電機(jī)、車(chē)輛客室電磁屏蔽與監(jiān)測(cè)、高速列車(chē)牽引電機(jī)設(shè)計(jì)與分析等多個(gè)特色鮮明的研究方向。

呂剛，教授，博士生導(dǎo)師，IET Fellow。研究方向?yàn)檐壍澜煌ㄖ本€電機(jī)與磁懸浮技術(shù)。擔(dān)任世界交通運(yùn)輸大會(huì)軌道交通學(xué)部牽引傳動(dòng)委員會(huì)主席，IEEE PES電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)技術(shù)委員會(huì)常務(wù)理事，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)直線電機(jī)專(zhuān)委會(huì)委員、中國(guó)工業(yè)節(jié)能協(xié)會(huì)綠色電機(jī)系統(tǒng)專(zhuān)委會(huì)委員等。曾在英國(guó)劍橋大學(xué)和謝菲爾德大學(xué)從事合作研究。

主持國(guó)家重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中車(chē)集團(tuán)重點(diǎn)項(xiàng)目等，為國(guó)內(nèi)軌道交通多個(gè)“首條”城軌線路和國(guó)家高鐵名片-CRH380A系列提供電磁牽引技術(shù)。

已發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇，其中IEEE Tans.和IET Proc. SCI論文30余篇，EI論文40余篇。第一發(fā)明人國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利20余件，軟件著作權(quán)1件，制定標(biāo)準(zhǔn)1部，出版專(zhuān)著4部。

直線電機(jī)輪軌車(chē)輛具有轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)、建設(shè)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在城市軌道交通中被廣泛運(yùn)用。本文針對(duì)直線感應(yīng)電機(jī)次級(jí)斷續(xù)的工況，基于電磁場(chǎng)理論提出分段式等效電路模型，并分析了電機(jī)的運(yùn)行特性。

研究背景

直線感應(yīng)電機(jī)作為軌道交通車(chē)輛的牽引電機(jī)時(shí)，初級(jí)安裝在轉(zhuǎn)向架上，次級(jí)沿著軌道鋪設(shè)。然而在轉(zhuǎn)彎、道岔和列車(chē)進(jìn)出庫(kù)路段，次級(jí)感應(yīng)板無(wú)法連續(xù)鋪設(shè)，會(huì)出現(xiàn)次級(jí)斷續(xù)的工況。

圖1 次級(jí)感應(yīng)板不連續(xù)路段

直線感應(yīng)電機(jī)初級(jí)電流、推力和法向力會(huì)產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，容易造成牽引傳動(dòng)單元的功率開(kāi)關(guān)管短路和輪對(duì)的不規(guī)則磨損，對(duì)列車(chē)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大的挑戰(zhàn)。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

圖2 電機(jī)的一維分析模型

建立軌道交通用單邊長(zhǎng)次級(jí)直線感應(yīng)電機(jī)的一維分析模型，考慮初級(jí)半填充槽將初、次級(jí)間的氣隙劃分為5個(gè)區(qū)域。根據(jù)電機(jī)的理想化分析模型，列寫(xiě)麥克斯韋方程可求解次級(jí)渦流、推力密度、次級(jí)損耗等物理量。

圖3 感應(yīng)渦流和推力密度的分布

充分考慮初級(jí)半填充槽和初級(jí)出口端外側(cè)次級(jí)感應(yīng)渦流的影響，根據(jù)初級(jí)半填充槽、全填充槽和出口端渦流計(jì)算區(qū)域與次級(jí)板1、2的耦合情況，將初級(jí)通過(guò)次級(jí)斷續(xù)區(qū)域的過(guò)程分成9個(gè)階段，如圖4所示。

次級(jí)斷續(xù)時(shí)僅考慮初、次級(jí)耦合區(qū)域和出口端外側(cè)積分區(qū)域，斷續(xù)區(qū)域的氣隙磁密和無(wú)功功率密度通過(guò)修正初級(jí)漏感來(lái)考慮，忽略初級(jí)入口端外側(cè)的部分，對(duì)各個(gè)階段求解時(shí)積分區(qū)間進(jìn)行修正。

圖4 次級(jí)斷續(xù)工況的9個(gè)階段

直線感應(yīng)電機(jī)的氣隙較大、氣隙磁密較小，可忽略初級(jí)鐵心損耗，并且次級(jí)漏感可看作為0，提出次級(jí)斷續(xù)時(shí)的分段式等效電路，如圖5所示。該電路初級(jí)支路參數(shù)不變，次級(jí)支路和勵(lì)磁支路參數(shù)動(dòng)態(tài)變化，與初、次級(jí)耦合情況有關(guān)。

圖5 次級(jí)斷續(xù)時(shí)的分段式等效電路

圖6 直線感應(yīng)電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

為了驗(yàn)證分段式等效電路和一維電磁場(chǎng)解析方法的正確性，利用圖6所示的直線感應(yīng)電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)量初級(jí)通過(guò)次級(jí)斷續(xù)區(qū)域過(guò)程中的推力和效率變化，與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如圖7所示?？梢钥闯鲇?jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)很接近，推力和效率的平均誤差較小，計(jì)算結(jié)果是比較精確的，并且能細(xì)致地刻畫(huà)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電機(jī)特性的實(shí)時(shí)變化情況。

圖7 推力和效率的變化曲線

結(jié)論

本文提出了次級(jí)斷續(xù)工況下直線感應(yīng)電機(jī)的分段式等效電路模型和，并分析了電機(jī)的運(yùn)行特性。結(jié)果表明，初級(jí)通過(guò)斷續(xù)次級(jí)區(qū)域時(shí)推力、效率、等效電路次級(jí)和勵(lì)磁支路參數(shù)均會(huì)先減少后增加，與非耦合區(qū)域面積負(fù)相關(guān)。

推力和效率計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果非常接近、變化趨勢(shì)相同，準(zhǔn)確細(xì)致地刻畫(huà)了電機(jī)電磁特性的變化情況。次級(jí)斷續(xù)時(shí)電機(jī)的運(yùn)行性能會(huì)惡化，且缺失區(qū)域越長(zhǎng)惡化越明顯。

本文提出的分段式等效電路，準(zhǔn)確描述了初級(jí)通過(guò)次級(jí)斷續(xù)區(qū)域的暫態(tài)過(guò)程，為實(shí)現(xiàn)次級(jí)斷續(xù)工況下消除初級(jí)電流、推力和法向力突變的高性能控制打下基礎(chǔ)。

引用本文

呂剛, 羅志昆, 曾迪暉, 周桐. 次級(jí)斷續(xù)時(shí)直線感應(yīng)牽引電機(jī)的分段式等效電路與特性分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(5): 944-953. Lü Gang, Luo Zhikun, Zeng Dihui, Zhou Tong. A Piecewise Equivalent Circuit and Characteristic Analysis of Linear Induction Traction Motor when the Secondary is Discontinuous. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(5): 944-953.