中速磁浮列车牵引电机及供电方案分析

摘要

目前，城市规模不断扩大，交通运输需求激增，发展城市轨道交通是解决这一问题的有效途径。本文研究的时速200km/h的中速磁浮列车是一种新型的轨道交通工具。中速磁浮列车牵引系统的核心部件是Halbach结构空心式永磁直线同步牵引电机。本文对该种新型结构的牵引电机特性及供电方案进行分析，具体主要从以下几方面进行了研究。
　　1.基于解析计算法，通过永磁体等效面电流模型、麦克斯韦电磁方程分析了Halbach结构空心式永磁直线同步电机一对极范围内电枢磁场、励磁磁场分布。研究了气隙磁通密度幅值及其谐波畸变率随永磁体尺寸、气隙长度变化的规律。分析了永磁励磁磁场在电机气隙中的动态分布，计算了在永磁励磁磁场作用下，三相交流绕组中感应产生的三相反电势。建立了长定子永磁直线同步电机稳态等效电路，对等效电路中的电磁参数进行了解析计算。
　　2.基于有限元法，采用Ansoft Maxwell仿真软件建立了一台单元电机的2D全尺寸仿真模型，分析了一台单元电机的内部电磁场分布，以验证磁场解析计算的正确性。研究了牵引力与法向力的功角特性，并分析了定子电流、气隙长度对牵引力和法向力的影响。研究了交直轴电感计算方法，及其随定子电流、气隙长度变化的规律。研究了次级采用不同动子极距时，牵引力和法向力的变化情况。最后建立牵引电机3D仿真模型，分析水平弯道段电机初、次级之间发生错位时，牵引力与法向力的变化情况。
　　3.从长定子直线电机和牵引变电所变流器单元变压变频原理出发，对长定子直线同步电机牵引供电方案做了初步研究。分析了高速磁浮列车TR08用长定子直线同步电机供电方式。设计了中速磁浮列车牵引供电系统方案图、牵引变电所布点位置。最后研究了牵引变电所容量计算方法，包括定子供电频率与定子端电压之间的对应关系、长定子电机驱动功率、馈电电缆区间损耗、牵引变流器容量。
　　通过以上对Halbach结构空心式永磁直线同步电机的分析，对该电机的磁场特性、电磁力特性、电磁参数、牵引供电有了较为全面深刻的理解，为下一步电机控制奠定基础。
　　目前，城市规模不断扩大，交通运输需求激增，发展城市轨道交通是解决这一问题的有效途径。本文研究的时速200km/h的中速磁浮列车是一种新型的轨道交通工具。中速磁浮列车牵引系统的核心部件是Halbach结构空心式永磁直线同步牵引电机。本文对该种新型结构的牵引电机特性及供电方案进行分析，具体主要从以下几方面进行了研究。
　　1.基于解析计算法，通过永磁体等效面电流模型、麦克斯韦电磁方程分析了Halbach结构空心式永磁直线同步电机一对极范围内电枢磁场、励磁磁场分布。研究了气隙磁通密度幅值及其谐波畸变率随永磁体尺寸、气隙长度变化的规律。分析了永磁励磁磁场在电机气隙中的动态分布，计算了在永磁励磁磁场作用下，三相交流绕组中感应产生的三相反电势。建立了长定子永磁直线同步电机稳态等效电路，对等效电路中的电磁参数进行了解析计算。
　　2.基于有限元法，采用Ansoft Maxwell仿真软件建立了一台单元电机的2D全尺寸仿真模型，分析了一台单元电机的内部电磁场分布，以验证磁场解析计算的正确性。研究了牵引力与法向力的功角特性，并分析了定子电流、气隙长度对牵引力和法向力的影响。研究了交直轴电感计算方法，及其随定子电流、气隙长度变化的规律。研究了次级采用不同动子极距时，牵引力和法向力的变化情况。最后建立牵引电机3D仿真模型，分析水平弯道段电机初、次级之间发生错位时，牵引力与法向力的变化情况。
　　3.从长定子直线电机和牵引变电所变流器单元变压变频原理出发，对长定子直线同步电机牵引供电方案做了初步研究。分析了高速磁浮列车TR08用长定子直线同步电机供电方式。设计了中速磁浮列车牵引供电系统方案图、牵引变电所布点位置。最后研究了牵引变电所容量计算方法，包括定子供电频率与定子端电压之间的对应关系、长定子电机驱动功率、馈电电缆区间损耗、牵引变流器容量。
　　通过以上对Halbach结构空心式永磁直线同步电机的分析，对该电机的磁场特性、电磁力特性、电磁参数、牵引供电有了较为全面深刻的理解，为下一步电机控制奠定基础。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题背景和选题意义

1.2磁浮列车分类及世界各国发展概况

1.3磁浮列车牵引系统概况

1.4 Halbach结构永磁直线同步电机研究现状

1.5本文主要研究内容及安排

第二章 基于解析法的中速磁浮列车牵引电机分析

2.1空气隙合成磁场的解析计算

2.2电机结构参数对气隙磁场的影响

2.3励磁反电势解析计算

2.4电磁参数解析计算

2.5本章小结

第三章 基于有限元法的中速磁浮列车牵引电机分析

3.1牵引电机2D仿真模型

3.2气隙磁通密度仿真分析

3.3电磁力分析计算

3.4交直轴电感分析计算

3.5动子极距的影响

3.6水平弯道段电机电磁力特性

3.7本章小结

第四章 中速磁浮列车牵引供电方案

4.1长定子电机牵引供电方案概述

4.2牵引供电方式

4.3牵引供电方案设计

4.4牵引变流系统容量计算

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2研究展望

致谢

参考文献

硕士学位期间取得的学术成果