團(tuán)隊(duì)介紹

盧琴芬，教授，博士生導(dǎo)師。IET Fellow，IEEE高級(jí)會(huì)員，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)直線電機(jī)專業(yè)委員會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)兼副主任委員，浙江省杰出青年基金獲得者，入選浙江省151人才工程第二層次培養(yǎng)人員。

1999年來(lái)主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目5項(xiàng)、國(guó)家十一五重大科技支撐計(jì)劃子項(xiàng)目1項(xiàng)、863國(guó)家高科技發(fā)展計(jì)劃子項(xiàng)目1項(xiàng)、浙江省自然基金杰出青年基金1項(xiàng)及重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)，以及等其他國(guó)家、省部級(jí)、企業(yè)項(xiàng)目10多項(xiàng)。獲省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)5項(xiàng)、浙江大學(xué)優(yōu)質(zhì)教學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、唐立新教學(xué)名師獎(jiǎng)、浙江大學(xué)優(yōu)質(zhì)獎(jiǎng)教金二等獎(jiǎng)、校級(jí)先進(jìn)工作者等。

在IEEE Transactions on Industrial Electronics/Industry Applications /Energy Conversions/Magnetics、中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)、電工技術(shù)學(xué)報(bào)等國(guó)際、國(guó)內(nèi)有關(guān)刊物上發(fā)表各類學(xué)術(shù)論文200余篇，授權(quán)發(fā)明專利27項(xiàng)（3項(xiàng)已經(jīng)轉(zhuǎn)讓）。

本文采用解析算法計(jì)算常導(dǎo)高速磁懸浮列車(chē)長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)（LSM）的氣隙磁場(chǎng)，計(jì)算模型考慮了長(zhǎng)定子的齒槽結(jié)構(gòu)，顯示了齒槽效應(yīng)對(duì)電機(jī)性能的影響?；谟邢拊Ｐ陀?jì)算不同運(yùn)行速度下齒槽效應(yīng)對(duì)力特性、勵(lì)磁繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與鐵心損耗的影響。

研究背景

磁懸浮列車(chē)作為一種新型的無(wú)接觸地面軌道交通運(yùn)輸工具，其牽引依靠直線電機(jī)，根據(jù)工作原理可分為中低速磁懸浮列車(chē)的直線感應(yīng)電機(jī)（Linear Induction Motor, LIM）和高速磁懸浮列車(chē)的直線同步電機(jī)（Linear Synchronous Motor, LSM）兩種。對(duì)于LSM，長(zhǎng)定子表面均勻開(kāi)設(shè)用于放置電樞繞組的開(kāi)口槽，具有較大的齒槽效應(yīng)。

齒槽效應(yīng)不僅會(huì)引起推力與懸浮力的波動(dòng)，而且還會(huì)影響動(dòng)子勵(lì)磁磁極，一方面在勵(lì)磁繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，給繞組絕緣產(chǎn)生壓力；另一方面在勵(lì)磁鐵心中產(chǎn)生鐵耗，引起勵(lì)磁磁極溫升升高。

主要內(nèi)容

通過(guò)氣隙磁密的解析結(jié)果與有限元結(jié)果的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在磁極齒下的空氣隙，即圖1中虛線圓圈標(biāo)注的部位，此時(shí)定子槽部與磁極齒部相對(duì)，可以明顯看到齒槽效應(yīng)導(dǎo)致氣隙磁密減小、諧波分量增大。在該區(qū)域，解析解與有限元非常接近。

圖1

定子齒槽效應(yīng)產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)諧波，最終會(huì)產(chǎn)生6 倍次推力波動(dòng)和懸浮力波動(dòng)，這可以從有限元結(jié)果中看出，如圖2。

結(jié)果顯示，次數(shù)為6、12、18等6倍次諧波分量遠(yuǎn)大于其他次數(shù)的諧波分量，占所有諧波分量的96%，說(shuō)明推力波動(dòng)主要是由齒槽效應(yīng)引起的。磁浮列車(chē)由左右兩側(cè)的長(zhǎng)定子LSM同時(shí)驅(qū)動(dòng)，如果兩側(cè)齒槽相對(duì)，6 倍次推力波動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生180°的相位差，從而有效減小車(chē)輛的推力波動(dòng)。

圖2

定子齒槽效應(yīng)產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)諧波，也會(huì)在勵(lì)磁繞組中產(chǎn)生6倍次的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。不同速度下，求得勵(lì)磁繞組感應(yīng)電壓的頻譜圖，如圖3?？梢园l(fā)現(xiàn)，感應(yīng)電壓都由6倍次諧波產(chǎn)生，主要集中在6次、12次與18次。

圖3

定子齒槽效應(yīng)產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)諧波，也會(huì)在勵(lì)磁鐵心中產(chǎn)生鐵耗。勵(lì)磁繞組在磁浮車(chē)輛運(yùn)行中連續(xù)工作，如果溫升過(guò)高，可能會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁絕緣損壞，危害系統(tǒng)正常運(yùn)行。由圖4中可見(jiàn)，勵(lì)磁鐵心損耗隨速度的增加而增加，利用二次函數(shù)可以較好擬合增長(zhǎng)曲線。

圖4

結(jié)論

（1）齒槽效應(yīng)在推力與懸浮力中產(chǎn)生6倍次波動(dòng)，在磁懸浮列車(chē)中通過(guò)軌道兩側(cè)長(zhǎng)定子鐵心的齒槽錯(cuò)位，就能夠有效削弱齒槽效應(yīng)的影響。

（2）齒槽效應(yīng)在勵(lì)磁繞組中的感應(yīng)電壓隨著速度增加線性增大，所以超高速運(yùn)行下會(huì)對(duì)勵(lì)磁繞組的絕緣產(chǎn)生很大的影響；

（3）齒槽效應(yīng)在勵(lì)磁鐵心中的損耗隨著速度增大呈平方增大，由于走行風(fēng)的散熱能力基本與速度的0.8次方成正比，所以超高速運(yùn)行下勵(lì)磁磁極的溫升是必須要研究的問(wèn)題。

引用本文

章九鼎, 盧琴芬. 長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)齒槽效應(yīng)的計(jì)算與影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(5): 964-972. Zhang Jiuding, Lu Qinfen. Calculation and Influences of Cogging Effects in Long-Stator Linear Synchronous Motor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(5): 964-972.