彈射驅(qū)動用變極距長初級雙邊直線感應(yīng)電機設(shè)計

劉希軍，楊國龍，彭 旭，牟世榮

(中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)、電磁技術(shù)和自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，電磁彈射系統(tǒng)迎刃而生。電磁彈射裝置具有加速度均勻，能量輸出大，運行效率高，控制精度好，維護(hù)費用低等優(yōu)點。對于電磁發(fā)射系統(tǒng)，直線驅(qū)動電機是驅(qū)動的動力源，亦是核心部分，直線電機可以直接將電能轉(zhuǎn)換成直線運動形式的機械能[1]。直線電機驅(qū)動的傳動裝置，無中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，可直接產(chǎn)生推力，系統(tǒng)裝置簡化，即可以保證運行的可靠性，亦可以降低制造成本，便于維護(hù)，且運動過程中可以無機械接觸，傳動零部件無磨損，很大程度上減小了機械損耗[2]。

極距長度不變型長初級雙邊直線感應(yīng)電機，可以改變繞組線圈的電流頻率大小，控制電機電磁推力的輸出[3]。利用閉環(huán)反饋的方法，不斷檢測滑塊實時速度值或運行位移值。整個加速過程用時極短僅有2s，無疑會增加控制過程難度。

再者，隨著運行速度的不斷增加，定極距長初級雙邊直線感應(yīng)電機電流的頻率將增大，必然受到逆變器開關(guān)頻率的限制[4]。高速時，電機電流頻率增加，直線電機的損耗增大。

采用變極距雙邊直線感應(yīng)電機作為加速器的驅(qū)動，無需實時檢測速度和位移值。電機初級繞組電流大小、電流頻率恒定，則隨著被加速物體速度的不斷增加，不會受到逆變器頻率的限制，亦不會增加電機損耗，由于電流頻率不變，控制方式得以優(yōu)化且更加簡便[5]。

1 變極距直線感應(yīng)電機極距分段情況

長初級雙邊直線感應(yīng)電機作為彈射驅(qū)動時，由于電機動子的長度要遠(yuǎn)小于電機定子長度，因而直線電機漏感較大，電源利用率較低[6]。因此采用分段供電模式完成加速，提高電源利用率，增大直線電機運行效率和性能。

長初級雙邊直線感應(yīng)電機通電示意圖如圖1所示。

圖1 長初級雙邊直線感應(yīng)電機通電示意圖

如圖所示，由于電機定子的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于次級動子的長度，長定子部分采用分段供電模式，圖中僅示意性的給出了4段定子部分，同一時刻，連續(xù)三段定子通電運行，其余定子未通電工作。

如圖1(a)所示，在某一個時間段內(nèi)，長初級雙邊直線感應(yīng)電機1號、2號、3號定子同時供電工作，其它定子段未供電。當(dāng)直線電機的動子不在1號區(qū)域內(nèi)時，1號定子部分切斷電源，同時，電機的4號定子部分接通電源，如圖1(b)所示。保證同一時刻有三個定子同時供電，即保證覆蓋動子的定子磁場始終不變，電機有效作用部分的電磁參數(shù)不變。

常規(guī)繞組的等極距電機如圖2所示。電機的結(jié)構(gòu)采用無槽繞組結(jié)構(gòu)，即可以減小電機的體積，亦可以消除氣隙磁場的齒諧波影響[7]。由于加速過程中采用變頻加速，就需要大容量的供電變頻器，導(dǎo)致系統(tǒng)成本較高且可靠性較低。

圖2 常規(guī)繞組等極距電機

基于此，為了解決大容量變頻裝置的要求，可采用變極距調(diào)速方式，其中一種變極距電機示意圖如圖3所示，為極距分段變化的變極距直線電機。變極距直線電機不再需要大容量的變頻裝置進(jìn)行變頻調(diào)速，只需在加工初級按照加速系統(tǒng)的需求，設(shè)計不同位置的極距長度，即可保證在恒壓恒頻電源的供電下，保證電磁推力恒定不變，驅(qū)動負(fù)載做加速運動。

圖3 極距分段變化變極距電機

極距分段變化的變極距直線電機是在恒極距直線電機的基礎(chǔ)上演變而成。在不同的區(qū)域內(nèi)電機極距相同，而不同的區(qū)域電機極距不同。直線電機的供電采用恒頻恒壓電源，因而在同一區(qū)域內(nèi)的電磁推力不再是恒定不變的，但保證不同區(qū)域內(nèi)的電磁推力的平均推力相同，且能滿足加速的需求。

極距分段變化的變極距直線電機在加速的過程中由于存在等極距部分，致使電磁推力不能保持恒定，加速過程中的推力波動較大，基于極距分段變化的情況提出極距連續(xù)變化的變極距直線電機，如圖4所示。

圖4 極距連續(xù)變化變極距電機

極距連續(xù)變化的變極距直線電機同樣采用無槽繞組結(jié)構(gòu)，電源電壓頻率恒定，被加速物體勻加速運動[8]。隨著次級運行速度的不斷增大，變極距直線感應(yīng)電機的極距不斷變大。

假設(shè)欲加速物體質(zhì)量為2.5×104kg，加速軌道100m，加速末速度需達(dá)到100m/s，整個過程假定為勻加速過程，則直線電機產(chǎn)生的電磁推力值為1.25MN，物體加速度50m/s2。直線感應(yīng)電機提供的電磁力輸出和待加速物體質(zhì)量成正比。電磁加速系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 電磁加速系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

2 電機磁路參數(shù)電路參數(shù)計算

2.1 磁路參數(shù)計算

氣隙系數(shù):

(1)

式中，lc為相繞組距離；δe為電機電磁計算氣隙。

(2)

氣隙磁壓降:

(3)

加速用雙邊直線感應(yīng)電機的等效氣隙磁壓降是單邊直線感應(yīng)電機磁壓降的2倍，式中Bδ為直線電機氣隙磁通密度。

勵磁電流:

(4)

式中，W1為初級繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；kw1為初級繞組系數(shù)。

2.2 電路參數(shù)計算

初級每相電阻:

(5)

式中，kr1為電阻增長系數(shù)；lav為電機繞組平均半匝長度；S1為繞組導(dǎo)線的截面積；ρa為導(dǎo)電阻率。

lav=2a+lcv=2a+1.50

(6)

式中，lcv為初級繞組端部長度。

初級漏電抗:

(7)

式中，lδ為直線電機初級鐵心疊厚；q1為直線感應(yīng)電機每極每相槽數(shù)；λd為諧波漏磁導(dǎo)系數(shù)；λe為電機端部漏磁導(dǎo)系數(shù)[9]。

其中，λe可表示為：

(8)

式中，kdp為電機繞組系數(shù)；β為每極距長度對應(yīng)電角度。

諧波漏磁導(dǎo)系數(shù)：

(9)

式中，kμ為電機飽和系數(shù)。

次級電阻：

(10)

式中，p為次級所對應(yīng)的初級繞組極對數(shù)；2d為次級厚度。

次級漏電抗：

(11)

勵磁電抗：

(12)

根據(jù)加速系統(tǒng)要求，長初級雙邊直線感應(yīng)電機至少提供1.25MN的電磁推力，方可保持加速過程中加速度恒定。因而，根據(jù)設(shè)計指標(biāo)要求，表2給出了一套加速系統(tǒng)驅(qū)動用直線感應(yīng)電機設(shè)計參數(shù)值。

表2 變極距直線感應(yīng)電機設(shè)計參量

將變極距長初級雙邊直線電機初級每相繞組單獨通電時，求取的磁感應(yīng)強度疊加，即可求得三相繞組同時通電時的磁感應(yīng)強度表達(dá)式。

根據(jù)已經(jīng)求取的磁感應(yīng)強度和洛倫茲力力，可以推導(dǎo)出變極距長初級雙邊直線感應(yīng)電機在次級覆蓋有效區(qū)域內(nèi)，電磁推力輸出的計算值。

(13)

由于脈振磁場產(chǎn)生的影響較小，相對于電磁場可以忽略不計，因而脈振磁場產(chǎn)生的脈動推力可以忽略不計，變極距直線電機電磁推力可以表示為

(14)

因此，根據(jù)式(14)可以求得任意位置的瞬時推力為

(15)

式中，2a為初級鐵心寬度；L為次級導(dǎo)板長度；s為滑差率；G為品質(zhì)因數(shù)。

(16)

即可求得變極距直線感應(yīng)電機的第i個相帶的電磁推力，當(dāng)滑差率s=1/G時，變極距直線電機電磁推力取得最大值為

(17)

3 電機極距對電機參數(shù)的影響

電機初級繞組電阻r1，僅與繞組平均半匝長、導(dǎo)線的電阻率、繞組串聯(lián)匝數(shù)和繞組導(dǎo)線截面積相關(guān)，與電機極距值無關(guān)；初級每相繞組漏抗x1，僅與電流額定頻率、每相串聯(lián)匝數(shù)、電機極對數(shù)以及每極每相槽數(shù)相關(guān)，同樣與極距無關(guān)。通過式(10)和式(12)仿真分析電機極距變化對次級相電阻和磁化電抗的影響,如圖5和圖6所示。

圖5 極距變化對次級相電阻影響

圖6 極距變化對磁化電抗影響曲線

可以發(fā)現(xiàn)次級相電阻r′2和電機極距成反比關(guān)系，隨著電機極距的增大，其值減小，而每相磁化電抗xm隨電機極距先減小后增大，在額定極距值附近取得最小值。

長初級雙邊直線感應(yīng)電機的磁路計算是以氣隙等效基波磁通密度為基礎(chǔ)，電機氣隙磁場等效為幅值為Bδ的行波磁場。長初級雙邊型電機為一對極的磁路，由于鐵心兩端的開斷，磁通只有單方向的流通，經(jīng)過四分之一的周期，磁通將向兩面分開。直線電機在做磁路計算時，磁通密度應(yīng)按照旋轉(zhuǎn)電機磁通算法所得值的得兩倍來計算。

根據(jù)計算變極距直線電機極距變化對氣隙磁壓降、勵磁電流公式，分析極距變化對其的影響如圖7和圖8所示。

圖7 不同電機極距時氣隙磁壓降隨速度變化曲線

圖8 不同電機極距時勵磁電流隨速度變化曲線

隨著直線電機次級運行速度的增大，氣隙磁壓降Fδ和勵磁電流Im均呈現(xiàn)增加趨勢。對于不同電機極距而言，隨著變極距直線電機極距的增大，氣隙磁壓降Fδ和勵磁電流Im反而減小，且極距越小，磁路參數(shù)值的影響變化越明顯。

磁路計算的目的就是為了校正電機各部分磁密值及彼此間的匹配關(guān)系是否合適以及求取的勵磁電流是否滿足設(shè)計需要。

通過計算分析直線電機等值電路的參數(shù)，可以在設(shè)計時計算分析直線電機運行性能。變極距直線感應(yīng)電機，由于其橫向端部效應(yīng)和縱向端部效應(yīng)的影響，使其計算分析和旋轉(zhuǎn)電機略有不同，圖9～圖12分別給出了變極距直線感應(yīng)電機極距變化對電機等效電路的參數(shù)影響。

圖9 極距對初級每相電阻值影響

圖10 電機極距對初級漏電抗影響

圖11 電機極距對次級電阻值影響

圖12 電機極距對次級漏電抗影響

對變極距直線感應(yīng)電機，極距變化對電機等效電路的參數(shù)影響仿真中可以看出，初級每相電阻、初級漏電抗和電機極距成正比關(guān)系，而次級電阻和次級漏電抗隨著電機極距的增大而減小。等效電路的參數(shù)的大小直接決定電機損耗的計算，因而電機極距的大小直接影響加速系統(tǒng)損耗。

假設(shè)彈射過程中僅由變極距直線感應(yīng)電機提供牽引動力，且忽略阻力及摩擦，被彈射物體恒加速運動，即電磁推力輸出恒定不變，恒定輸出為1.25MN，分析比較極距固定和極距變化，不同位移不同速度所需電流頻率、電機極距關(guān)系如圖13、圖14所示。

圖13 彈射位移與電流頻率關(guān)系

圖14 彈射位移與電機極距關(guān)系

傳統(tǒng)型極距恒定直線電機，加速過程通過控制電流頻率，進(jìn)而控制電磁推力輸出。極距恒定為0.30m，加速過程電流頻率不斷增加，10m位移處，即速度31.62m/s時，電流頻率246.5Hz，當(dāng)速度增加到100m/s時，即100m物體加速位置處，電流頻率增加到360.5Hz。

采用變極距直線感應(yīng)電機，控制電流頻率300Hz固定，采用不同位移處電機極距不同進(jìn)行加速。保證1.25MN恒定推力輸出，起步位置1m位移處，即速度10m/s時，極距值0.231m；10m位移處，即速度31.62m/s時，極距值0.252m；100m末位置，速度100m/s時，極距值0.343m。

變極距加速相較于極距固定加速而言，控制方式更為簡單，由于加速過程很短，控制電流快速變化無疑會增加控制系統(tǒng)難度，而采用變極距加速則無需改變電流頻率，僅需在電機初期設(shè)計加工制造時，不同位移處，制造電機極距不同即可，制造過程可采用數(shù)控機床方便加工。再者，高速時電流頻率的增大致使電機損耗增加，而變極距雙邊直線感應(yīng)電機則可以將電流頻率固定于一個較為合適的值，避免電機損耗增加。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)實際加速指標(biāo)要求，設(shè)計一臺用于電磁加速系統(tǒng)的高速大推力直線感應(yīng)電機。給出具體設(shè)計參數(shù)，并提出了兩種極距變換方式，極距分段變換和極距連續(xù)變換方式。由于采用變極距設(shè)計方式，因而極距的變化對設(shè)計起關(guān)鍵作用，分析了極距的變化對磁路參數(shù)、電路參數(shù)的影響，通過磁路計算可以校正電機各部分磁密值及彼此間的匹配關(guān)系是否合適以及求取的勵磁電流是否滿足設(shè)計需要，而等效電路的參數(shù)的大小直接決定電機損耗。

采用變極距雙邊直線感應(yīng)電機作為加速驅(qū)動，無需檢測速度和位移，初級繞組電流的頻率保持恒定，因而不受逆變器開關(guān)頻率的限制，亦不會增加電機的損耗，由于電流頻率不變，直線電機控制方式得以優(yōu)化且更加簡便。