楊 穎，鄧江明，呂 剛

(1.中車株洲電力機(jī)車有限公司，株洲 412001；2.北京交通大學(xué)，北京 100044)

0 引 言

直線電機(jī)因其具有轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)、噪聲較低和工程造價(jià)低等方面的優(yōu)勢(shì)[1-2]，在軌道交通方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，廣州地鐵4、5、6號(hào)線，北京地鐵S1線以及長(zhǎng)沙磁浮快線的接連投入使用[3-6]，都標(biāo)志著直線電機(jī)在軌道交通領(lǐng)域具有廣闊前景。

但是，常規(guī)銅繞組直線感應(yīng)牽引電機(jī)的效率和功率因數(shù)都較低，能耗和效率問(wèn)題也成為限制直線感應(yīng)電機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素[7-9]。隨著高溫超導(dǎo)材料的不斷發(fā)展和在各領(lǐng)域應(yīng)用的不斷拓展，將高溫超導(dǎo)技術(shù)與直線電機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起變成了可能[10-11]。之前，多數(shù)高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)都是采用高溫超導(dǎo)塊材的直線同步電機(jī)，采用高溫超導(dǎo)線圈的直線感應(yīng)電機(jī)很少[12-14]。近年來(lái)，開(kāi)始有人采用Bi系高溫超導(dǎo)帶材繞制的初級(jí)繞組來(lái)進(jìn)行直線感應(yīng)電機(jī)的研究。

目前，對(duì)高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的研究都是基于有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的，而有鐵心電機(jī)因?yàn)殍F心存在飽和的情況，所以無(wú)法充分利用高溫超導(dǎo)材料零電阻、載流密度大的特性。并且，對(duì)超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的研究主要是分析輸入?yún)?shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)電磁特性的影響。

本文主要針對(duì)無(wú)鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的電磁特性展開(kāi)詳細(xì)研究，用ANSYS有限元軟件對(duì)短定子無(wú)鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的電磁特性進(jìn)行分析[15-17]。首先對(duì)無(wú)鐵心和有鐵心電機(jī)的渦流、磁場(chǎng)以及各分量的分布情況進(jìn)行了對(duì)比分析。之后對(duì)無(wú)鐵心電機(jī)各頻率的推力情況進(jìn)行了分析，并將無(wú)鐵心電機(jī)的牽引曲線與相同功率等級(jí)的銅繞組電機(jī)的牽引曲線進(jìn)行了對(duì)比分析。最后對(duì)無(wú)鐵心和有鐵心電機(jī)的推力曲線和法向力法向力曲線進(jìn)行了對(duì)比，從兩種電機(jī)的性能對(duì)比得出無(wú)鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的質(zhì)量更輕，單位質(zhì)量推力更大的結(jié)論。

1 短定子超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的模型

短定子無(wú)鐵心和有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)如圖1所示。圖1(a)中，無(wú)鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)包括超導(dǎo)線圈、次級(jí)感應(yīng)板(鋁板和鐵板)和杜瓦容器，有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)在此基礎(chǔ)上增加了初級(jí)鐵心。

(a) 無(wú)鐵心

無(wú)鐵心和有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)除初級(jí)鐵心外其他參數(shù)是相同的，電機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 短定子超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的主要參數(shù)

2 超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的電磁特性分析

根據(jù)短定子無(wú)鐵心和有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的3-D仿真模型對(duì)兩種電機(jī)進(jìn)行電磁分析[18-19]。

2.1 渦流特性分析

無(wú)鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)在額定工況下(I=200 A，v=20 km/h，f=50 Hz，s=0.37)次級(jí)板表面渦流的分布圖如圖2所示。

圖2 無(wú)鐵心電機(jī)的次級(jí)板表面渦流分布圖

圖3給出了有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)在額定工況下(I=80 A,v=20 km/h,f=50 Hz,s=0.37)次級(jí)板表面渦流的分布圖如圖3所示。

(a)

圖4(a)、圖4(b)分別給出了無(wú)鐵心電機(jī)的次級(jí)板表面渦流z分量(Jz)的橫向和縱向分布曲線?？梢缘贸?，Jz主要集中在初級(jí)和次級(jí)的耦合區(qū)域，在非耦合區(qū)域由于次級(jí)寬度的限制和磁阻的增大,使得感應(yīng)出的Jz迅速減小。

(a) Jz的橫向分布曲線

圖5(a)、圖5(b)為有鐵心電機(jī)的次級(jí)板表面渦流Jz的橫向和縱向分布曲線。有鐵心電機(jī)渦流的分布規(guī)律與無(wú)鐵心電機(jī)的相同，由于鐵心的作用，次級(jí)感應(yīng)板表面的渦流分量數(shù)值較無(wú)鐵心電機(jī)的數(shù)值小。

(a) Jz的橫向分布曲線

無(wú)、有鐵心電機(jī)次級(jí)板表面x分量(Jx)的橫向和縱向分布曲線分別如圖6、圖7所示。在無(wú)鐵心電機(jī)中，由于次級(jí)寬度的限制，初級(jí)與次級(jí)的耦合區(qū)域偏離中心越遠(yuǎn),Jx越大。有鐵心電機(jī)的Jx分布與無(wú)鐵心類似，Jx主要集中在繞組端部與次級(jí)的耦合區(qū)域，初級(jí)鐵心與次級(jí)的耦合區(qū)域偏離中心越遠(yuǎn),Jx越大，Jx最大值集中出現(xiàn)繞組端部與次級(jí)的耦合區(qū)域。

(a) Jx的橫向分布曲線

2.2 磁場(chǎng)特性分析

無(wú)鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)在額定工況下氣隙磁場(chǎng)的分布圖如圖8所示。

圖8 無(wú)鐵心電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)分布圖

圖9為有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)在額定工況下氣隙磁場(chǎng)的分布圖。從數(shù)值比較可以看出，在額定工況下有鐵心電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)要小于無(wú)鐵心電機(jī)的磁場(chǎng)。

圖9 有鐵心電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)分布圖

圖10(a)、圖10(b)分別給出了無(wú)鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)在額定工況下氣隙磁場(chǎng)y分量(By)的橫向和縱向分布曲線。由于橫向邊端效應(yīng)的影響，次級(jí)渦流的作用使得By沿電機(jī)橫向呈現(xiàn)馬鞍形的分布曲線。同時(shí)，由于動(dòng)態(tài)縱向邊端效應(yīng)的影響，使得By的縱向分布不均勻。

(a) By的橫向分布曲線

有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)在額定工況下氣隙磁場(chǎng)By分量的橫向和縱向分布曲線如圖11(a)、圖11(b)。有鐵心電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)較無(wú)鐵心電機(jī)的磁場(chǎng)增加了許多諧波，這是由于有鐵心電機(jī)的齒槽效應(yīng)造成的。

(a) By的橫向分布曲線

3 無(wú)鐵心電機(jī)牽引特性分析

圖12為無(wú)鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)分別在10 Hz，30 Hz，50 Hz，80 Hz，90 Hz，100 Hz，120 Hz，140 Hz下的推力曲線圖。隨著頻率逐漸增大，推力曲線的峰值對(duì)應(yīng)的速度值也逐漸增大，但各推力曲線的變化趨勢(shì)是相同的。

圖12 無(wú)鐵心電機(jī)多頻率下的推力曲線圖

圖13(a)是國(guó)內(nèi)某型直線電機(jī)與相同功率等級(jí)的無(wú)鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的牽引曲線對(duì)比。圖13(a)中，在速度為40 km/h之前牽引曲線為恒推力區(qū)，無(wú)鐵心電機(jī)牽引力約為3.4 kN，國(guó)內(nèi)某型直線電機(jī)牽引力為3.2 kN左右。在速度為40 km/h之后為恒功率區(qū)，牽引曲線隨著速度的增加而逐漸降低。兩種電機(jī)的牽引曲線變化趨勢(shì)是大致相同的。

圖13(b)為無(wú)鐵心電機(jī)和國(guó)內(nèi)某型直線電機(jī)的電流曲線圖。圖13(b)中，在速度為35 km/h之前無(wú)鐵心電機(jī)電流恒為450 A，國(guó)內(nèi)某型直線電機(jī)恒為330 A，在這之后兩電機(jī)的電流隨著速度的增加逐漸減小。

(a) 牽引曲線對(duì)比圖

從兩圖的對(duì)比分析可以看出，兩種電機(jī)的牽引力曲線是隨著電流曲線的變化而變化的。

4 有無(wú)鐵心電機(jī)的性能對(duì)比

圖14(a)、圖14(b)分別為無(wú)鐵心和有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)在額定工況下的推力曲線和法向力曲線對(duì)比圖。無(wú)鐵心電機(jī)在額定工況下推力約為3.4 kN，有鐵心電機(jī)在額定工況下推力約為3.5 kN，在額定工況下有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的推力較大。

(a) 推力曲線對(duì)比圖

圖14(b)中，無(wú)鐵心電機(jī)在額定工況下法向力約為1.9 kN，有鐵心電機(jī)在額定工況下法向力為2.2 kN，在額定工況下有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的法向力較大。

表2為無(wú)鐵心和有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)的性能參數(shù)對(duì)比。從表2中可以看出，無(wú)鐵心電機(jī)相比于有鐵心電機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)在于質(zhì)量更輕，在額定工況下，無(wú)鐵心電機(jī)的單位質(zhì)量下的推力更大，而兩種電機(jī)的額定功率、效率等大致相同，但無(wú)鐵心的功率因數(shù)很低。

表2 有無(wú)鐵心電機(jī)性能參數(shù)對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)短定子無(wú)鐵心和有鐵心超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)模型的仿真分析，得出了兩種電機(jī)在額定工況下的渦流和磁場(chǎng)特性曲線，并通過(guò)對(duì)無(wú)鐵心超導(dǎo)直線電機(jī)與國(guó)內(nèi)某型直線電機(jī)牽引曲線的對(duì)比分析驗(yàn)證了電機(jī)模型的正確性。最后對(duì)兩種電機(jī)的推力、法向力和性能參數(shù)的對(duì)比得出，無(wú)鐵心電機(jī)相比于有鐵心電機(jī)質(zhì)量更輕，單位質(zhì)量下推力更大，但是無(wú)鐵心電機(jī)的功率因數(shù)較低。