磁浮軌道檢測平臺直線電機(jī)設(shè)計與仿真計算

袁茂林 張興華 何健波

(湖南凌翔磁浮科技有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410000)

磁懸浮列車是通過電磁力實現(xiàn)列車與軌道之間的無接觸的懸浮和導(dǎo)向，再利用直線電機(jī)產(chǎn)生的電磁力牽引列車運(yùn)行的現(xiàn)代高科技軌道交通工具[2]。

為保證磁浮列車的正常平穩(wěn)運(yùn)行，必須保證磁浮軌道及相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)控制在標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)。在軌道竣工驗收及日常運(yùn)行維護(hù)檢測過程中，為減輕勞動強(qiáng)度，提高檢測精度和效率，降低運(yùn)營成本和降低工作過程中的安全風(fēng)險，有必要開發(fā)磁浮軌道綜合檢測平臺。檢測平臺搭載直線驅(qū)動電機(jī)、電源、傳感器、控制箱等設(shè)備，具備獨立的懸浮、牽引、檢測功能。檢測平臺總重量為1000kg。滿足0～24km/h 能保持加速度0.7m/s2，計算單臺電機(jī)推力需求為350N；滿足以50km/h 速度巡航，計算單臺電機(jī)推力需求為120N。基本結(jié)構(gòu)及布局如圖1。

圖1 檢測平臺結(jié)構(gòu)

本文在典型的HSST 中低速磁懸浮列車牽引電機(jī)[3]的基礎(chǔ)上，設(shè)計了應(yīng)用于檢測平臺的感應(yīng)直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖2。

圖2 直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1 主要設(shè)計參數(shù)

直線電機(jī)及軌道設(shè)計符合長沙磁浮快線軌道尺寸[4]，如表1。

表1

2 電磁鐵設(shè)計及有限元分析

2.1 仿真模型

依次完成幾何模型建立、材料編輯設(shè)定、設(shè)置線圈和電路連接、設(shè)置邊界條件、設(shè)置網(wǎng)格剖分，在ansys maxwell2D 中建立圖3 所示直線感應(yīng)電機(jī)模型。

圖3 直線感應(yīng)電機(jī)模型

2.2 仿真計算及結(jié)果

2.2.1 額定轉(zhuǎn)差點

仿真設(shè)置：三相對稱電流有效值Irms=175A；運(yùn)動速度=0(堵轉(zhuǎn))；電源頻率f 從5HZ 到18HZ 每1HZ 一個掃描點。查看電機(jī)推力輸出值和法向吸力。

仿真結(jié)果：電機(jī)推力如圖6；法向吸力如圖7。綜合考慮電機(jī)推力和法向吸力值確定電機(jī)額定轉(zhuǎn)差頻率為15HZ。

圖4 網(wǎng)格剖分圖

圖5 繞組展開圖

圖6 電機(jī)推力

圖7 法向吸力

2.2.2 峰值電流起動推力

仿真設(shè)置：三相電流有效值Irms=175A；運(yùn)動速度=24km/h；電源頻率：33.52HZ(轉(zhuǎn)差頻率15HZ)。

仿真結(jié)果：

a.電機(jī)推力351N；轉(zhuǎn)矩脈動：31.58N(9%)。如圖8。

圖8 電機(jī)推力

b.法向吸力：56.6N。如圖9。

圖9 法向吸力

c. 峰值電流時，最大磁密為1.62T 在初級定子軛部。如圖10。

圖10 磁密分布云圖

2.2.3 速度50km/h 巡航電流及推力值

仿真設(shè)置：三相電流有效值Irms= 110 A；運(yùn)動速度=50km/h；電源頻率：53.58HZ(轉(zhuǎn)差頻率15HZ)。

仿真結(jié)果：

a.電機(jī)推力133.7N；轉(zhuǎn)矩脈動：19.6N(14.6%)。如圖11。

圖11 電機(jī)推力

b.法向吸力：45N。如圖12。

圖12 法向吸力

c.線感應(yīng)電壓有效值23.5V，最大值33.9V。如圖13。

圖13 線感應(yīng)電壓

3 結(jié)論

電機(jī)峰值電流Irms= 175A，線規(guī)采用鋁線2*1.6×11.5，電流密度為4.75A/mm2，線負(fù)荷4.2 A/cm, 所以熱負(fù)荷為19.95 A/cm·mm2。按設(shè)計要求以0.8m/s2從0 加速到24km/h 需9.5 s。50km/h 速度巡航需要Irms= 110 A，電流密度為2.99 A/mm2,線負(fù)荷2.64 A/cm,所以熱負(fù)荷為12.54 A/cm·mm2峰值電流時，最大磁密為1.62T 未達(dá)到鐵芯材料50W310 的磁密飽和值。

仿真結(jié)果顯示，在達(dá)到設(shè)計目標(biāo)的前提下，直線電機(jī)具有一定的性能提升空間。