團(tuán)隊(duì)介紹

北京交通大學(xué)直線電機(jī)與控制研究室隸屬電力牽引教育部工程研究中心，團(tuán)隊(duì)結(jié)合國家重大需求和學(xué)科前沿，長期從事軌道交通直線電機(jī)與磁懸浮技術(shù)領(lǐng)域的研究，已形成軌道交通直線電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)、高速磁浮系統(tǒng)新型電磁牽引與懸浮導(dǎo)向技術(shù)、車載無接觸直線諧波發(fā)電機(jī)、車輛客室電磁屏蔽與監(jiān)測、高速列車牽引電機(jī)設(shè)計與分析等多個特色鮮明的研究方向。

呂剛，教授，博士生導(dǎo)師，IET Fellow。研究方向?yàn)檐壍澜煌ㄖ本€電機(jī)與磁懸浮技術(shù)。擔(dān)任世界交通運(yùn)輸大會軌道交通學(xué)部牽引傳動委員會主席，IEEE PES電動汽車驅(qū)動技術(shù)委員會常務(wù)理事，中國電工技術(shù)學(xué)會直線電機(jī)專委會委員、中國工業(yè)節(jié)能協(xié)會綠色電機(jī)系統(tǒng)專委會委員等。曾在英國劍橋大學(xué)和謝菲爾德大學(xué)從事合作研究。

主持國家重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、中車集團(tuán)重點(diǎn)項(xiàng)目等，為國內(nèi)軌道交通多個“首條”城軌線路和國家高鐵名片-CRH380A系列提供電磁牽引技術(shù)。

已發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇，其中IEEE Tans.和IET Proc. SCI論文30余篇，EI論文40余篇。第一發(fā)明人國家發(fā)明專利20余件，軟件著作權(quán)1件，制定標(biāo)準(zhǔn)1部，出版專著4部。

直線電機(jī)輪軌車輛具有轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)、建設(shè)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在城市軌道交通中被廣泛運(yùn)用。本文針對直線感應(yīng)電機(jī)次級斷續(xù)的工況，基于電磁場理論提出分段式等效電路模型，并分析了電機(jī)的運(yùn)行特性。

研究背景

直線感應(yīng)電機(jī)作為軌道交通車輛的牽引電機(jī)時，初級安裝在轉(zhuǎn)向架上，次級沿著軌道鋪設(shè)。然而在轉(zhuǎn)彎、道岔和列車進(jìn)出庫路段，次級感應(yīng)板無法連續(xù)鋪設(shè)，會出現(xiàn)次級斷續(xù)的工況。

圖1 次級感應(yīng)板不連續(xù)路段

直線感應(yīng)電機(jī)初級電流、推力和法向力會產(chǎn)生劇烈波動，容易造成牽引傳動單元的功率開關(guān)管短路和輪對的不規(guī)則磨損，對列車的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大的挑戰(zhàn)。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

圖2 電機(jī)的一維分析模型

建立軌道交通用單邊長次級直線感應(yīng)電機(jī)的一維分析模型，考慮初級半填充槽將初、次級間的氣隙劃分為5個區(qū)域。根據(jù)電機(jī)的理想化分析模型，列寫麥克斯韋方程可求解次級渦流、推力密度、次級損耗等物理量。

圖3 感應(yīng)渦流和推力密度的分布

充分考慮初級半填充槽和初級出口端外側(cè)次級感應(yīng)渦流的影響，根據(jù)初級半填充槽、全填充槽和出口端渦流計算區(qū)域與次級板1、2的耦合情況，將初級通過次級斷續(xù)區(qū)域的過程分成9個階段，如圖4所示。

次級斷續(xù)時僅考慮初、次級耦合區(qū)域和出口端外側(cè)積分區(qū)域，斷續(xù)區(qū)域的氣隙磁密和無功功率密度通過修正初級漏感來考慮，忽略初級入口端外側(cè)的部分，對各個階段求解時積分區(qū)間進(jìn)行修正。

圖4 次級斷續(xù)工況的9個階段

直線感應(yīng)電機(jī)的氣隙較大、氣隙磁密較小，可忽略初級鐵心損耗，并且次級漏感可看作為0，提出次級斷續(xù)時的分段式等效電路，如圖5所示。該電路初級支路參數(shù)不變，次級支路和勵磁支路參數(shù)動態(tài)變化，與初、次級耦合情況有關(guān)。

圖5 次級斷續(xù)時的分段式等效電路

圖6 直線感應(yīng)電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺

為了驗(yàn)證分段式等效電路和一維電磁場解析方法的正確性，利用圖6所示的直線感應(yīng)電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺，測量初級通過次級斷續(xù)區(qū)域過程中的推力和效率變化，與計算結(jié)果的對比如圖7所示。可以看出計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢很接近，推力和效率的平均誤差較小，計算結(jié)果是比較精確的，并且能細(xì)致地刻畫運(yùn)動過程中電機(jī)特性的實(shí)時變化情況。

圖7 推力和效率的變化曲線

結(jié)論

本文提出了次級斷續(xù)工況下直線感應(yīng)電機(jī)的分段式等效電路模型和，并分析了電機(jī)的運(yùn)行特性。結(jié)果表明，初級通過斷續(xù)次級區(qū)域時推力、效率、等效電路次級和勵磁支路參數(shù)均會先減少后增加，與非耦合區(qū)域面積負(fù)相關(guān)。

推力和效率計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果非常接近、變化趨勢相同，準(zhǔn)確細(xì)致地刻畫了電機(jī)電磁特性的變化情況。次級斷續(xù)時電機(jī)的運(yùn)行性能會惡化，且缺失區(qū)域越長惡化越明顯。

本文提出的分段式等效電路，準(zhǔn)確描述了初級通過次級斷續(xù)區(qū)域的暫態(tài)過程，為實(shí)現(xiàn)次級斷續(xù)工況下消除初級電流、推力和法向力突變的高性能控制打下基礎(chǔ)。

引用本文

呂剛, 羅志昆, 曾迪暉, 周桐. 次級斷續(xù)時直線感應(yīng)牽引電機(jī)的分段式等效電路與特性分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2021, 36(5): 944-953. Lü Gang, Luo Zhikun, Zeng Dihui, Zhou Tong. A Piecewise Equivalent Circuit and Characteristic Analysis of Linear Induction Traction Motor when the Secondary is Discontinuous. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(5): 944-953.