直线感应牵引电机的特性分析及其控制技术

课程名称：牵引电机课程设计 设计题目：直线感应牵引电机的特性 分析及其控制技术 院 系： 专 业： 年 级： 姓 名： 指导教师：

西南交通大学峨眉校区 2012年 10月 16日 牵引电机课程设计 第I页 课 程 设 计 任 务 书

专 业 姓 名 学 号 开题日期：2012年 9月 6日 完成日期：2012年 10月 15日 题 目：直线感应牵引电机的特性分析及其控制 技术

一、设计的目的 通过该设计，讨论直线感应牵引电机的设计计算、运行特性和应用实例， 初步掌握直线感应牵引电机的组成、使用原理及其特性，了解直线感应牵引电 机的发展和应用，并适当掌握其控制技术的方法、原理。

二、设计的内容及要求 1、了解直线感应牵引电机的组成及使用原理分类及其发展应用； 2、研究直线感应牵引电机的特性； 3、考虑边端效应的直线感应牵引电机的控制方法。

三、指导教师评语

四、成 绩

指导教师 (签章)

年 月 日 牵引电机课程设计 第II页 摘要 直线感应电机作为一种新型动力设备，由于其具有的独特性能和特点，使其在当今工业领域内有着较为广泛的应用。而在轨道交通领域，更是有着广泛的应用前景。其不仅可用作磁悬浮列车的牵引电机，也可用于城市轨道交通轮轨系统中驱动地铁车辆。目前在这两方面世界上都有成功的运用范例。本论文主要是对用于交通领域的直线感应牵引电机的特性和控制进行了研究。 本文首先介绍了直线感应电机的原理和特点，随后运用电磁场理论，对直线感应电机作了较为详尽的分析。在这些特性分析的基础上，对可能运用于直线感应电机控制的几大基本控制策略进行了分析比较。 本文阐述了对电机性能影响最大的纵向边端效应，通过电磁场分析得到该效应对磁场的负面作用，并使用有效初级绕组相感应电势的方式得到等效系数。通过该等效系数将纵向边端效应考虑到等效电路中去，使考虑纵向边緣效应的电机特性很方便得到计算。实验中分别讨论了电机在不同气隙和供电频率下的推力、法向力、次级功率因数和效率的变化曲线，为直线感应牵引电机的特性分析和在轨道交通中的应用提供了重要方法和依据。

关键词 直线感应牵引电机；等效电路；边端效应；特牲分析；牵引控制

牵引电机课程设计 第III页 目 录 第一章 绪论 1.1引言………………………………………………………………………………1 1.2直线电机的应用及发展…………………………………………………………1 1.2.1直线电机在工业中的应用………………………………………………2 1.2.2直线电机在交通领域中的应用…………………………………………2 1.2.3直线电机在国内的应用及发展…………………………………………3 1.2.4直线电机在交通中的应用优势…………………………………………4 1.3本课程设计的任务和要求………………………………………………………5

第二章 直线感应电机的工作原理和特点 2.1直线感应电机的工作原理………………………………………………………5 2.2直线感应电机的特点……………………………………………………………6 2.3直线感应电机的分类……………………………………………………………6 2.4直线感应电机的边端效应………………………………………………………7 2.4.1纵向边端效应……………………………………………………………7 2.4.1.1静态纵向边端效应………………………………………………7 2.4.1.2动态纵向边端效应………………………………………………8 2.4.2横向边端效应……………………………………………………………8 2.4.2.1静态横向边端效应………………………………………………8 2.4.2.2动态横向边端效应………………………………………………9 2.4.3边端效应及电机模型……………………………………………………10

第三章 直线感应牵引电机特性分析 3.1直线感应电机的等效电路法与特性……………………………………………13 3.2完全等效电路法的计算…………………………………………………………16 3.2.1不同频率与不同气隙时推力变化………………………………………16 3.2.2不同频率与不同气隙时次级功率因数变化……………………………17 3.2.3不同频率与不同气隙时效率的变化……………………………………17 3.2.4不同频率时法向力变化…………………………………………………18 第四章 直线电机牵引控制系统 4.1常见的电机控制策略及其应用特点……………………………………………19 4.1.1标量控制…………………………………………………………………19 4.1.2矢量控制…………………………………………………………………20 4.1.3直接转矩控制和直接推力控制…………………………………………21 4.2直接推力控制在直线感应电机传动中应用的若干问题………………………22 结语……………………………………………………………………………………25 参考文献………………………………………………………………………………25 牵引电机课程设计 第1页 第一章 绪论 1．1 引言 直线感应电机是一种较为新颖的电机，主要是由于直线感应电机没有从旋转运动到直线运动的变换装置，是一种能将电能直接转换成直线机械能的电力传动装置。尽管早在19世纪就有人提出了这种传动装置，且实际生活中许多场合也需要直线运动，但过去很长一段时期，由于没有充分发挥直线感应电机的长处，避免和克服它的短处，因此在需要直线运动的场合中，还大多釆用技术上早已成熟的旋转电机。实践证明，直线电机只有向着其它驱动装置所不能满足，或者使用其它驱动装置有困难，经济上不合算的领域发展，才能找到直线电机独特的应用领域。因此近几十年来直线电机才被真正开发应用在工业生产中，形成了产品和商品。 1．2直线电机的应用及发展 直线电机的发展经历了漫长的历史。早在1845年Wheatstone就提出和制作了略具雏形的直线电动机。到如今，已有近160年的历史了，在这段过程中，直线电机大致经历了探索试验、开发应用和使用商品化三个阶段。 从1840年到1955年的116年期间，直线电机从设想到试验到部分实验性应用，经历了一个不断探索的过程。在1890年，有人想用它来推动织布机上的梭子，并发表了关于这方面的专利，这也是直线电机最早的一个专利。这个想法的延伸导致了现代电磁炮的产生。在1905年，有人提出用它来作为推动列车的动力，虽然当时由于其经济性，可靠性等方面没有竞争力，未能实现。可是研究人员却对这个想法给与了持续的关注，近几十年来，磁悬浮列车终于在德国，日本、中国等国建立起试验和试运行线路，获得了试验性的应用和成功。同时，直线电机在地铁轮轨城市交通系统上也得到了成功的运用。从上面可以看到，尽管当时的一些想法并未超出试验阶段，但是这些想法和尝试却为后来的成功提供了宝贵的经验。上世纪三、四十年代，直线电机进入了实验阶段。1945年，美国西屋电气公司首先研制成功电力牵引飞机弹射器，随后，美国利用直线电机制成用作抽汲钾、钠等液态金属的电磁泵。1954年，英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电机制成了发射导弹的装置。但是这个时期直线电机始终没有能够得到真正的应用。其原因大致在于以下几方面： 牵引电机课程设计 第2页 1、直线电机的电磁气隙与极距的比值通常高于旋转电机，因此激磁电流较大，另外存在由于铁芯两端开断产生的边端效应，于是直线电机的效率和功率因数比同容量旋转电机的低。这个概念牢固地束缚了直线电机的应用，使它无法与旋转电机相抗衡； 2、没能找到唯独它适用的或者有很大优势的领域； 3、直线电机的控制线路及其装置费用成为它发展的障碍，因为当时控制技术不完善、元器件昂贵且性能欠佳。 4、直线电机理论发展缓慢，设计上存在缺陷，没有对应用起到促进和预见作用。以上这些使得人们对直线电机一度失去信心。 直至上世纪五十年代中期，控制、材料技术的飞速发展和新型控制元器件的不断出现为直线电机的广泛应用打开了方便之门。同时对直线电机的研究也更加深入。人们也逐渐接受了新的概念，认为直线电机的较低效率可以用增加整个装置的传动效率来补偿，而直线电机独有的特点，使其在某些领域如磁悬浮等有其独有的优越性。人们观念的改变以及因此而产生的需求成为直线电机的发展的原动力。随后直线电机的研究和应用不断发展，世界各国出现了许多直线电机的产品，并得到良好的运用，取得较好的效果。这些产品应用主要在工业应用领域和交通领域。虽然直线电机市场远不及旋转电机，目前直线电机产品还有相当的竞争力，因为一些直线电机厂家总可获得较好的利润和业绩。 1.2.1直线电机在工业中的应用 由于其独有的特点和性能，直线电机在工业应用领域得到广泛的应用，且新的应用领域及新的产品不断出现如有前苏联生产的液态金属电磁泵、美国XYNETICS公司生产的自动绘图仪、法国生产的直线电机记录仪、EdwardsofEnfield公司生产的铝和有色金属工业用的新型挤拉机、日本三洋公司生产的直线电机驱动的电唱机、英国HerbertMorris公司生产的桥式吊车、传送带和一般机械搬运设备等。近二十年来，不仅直线电机的新产品层出不穷，而且新原理直线电机也不少6例如超声波直线电机，微步距直线电机等等。

1.2.2直线电机在交通领域中的应用 而在交通领域的应用，是在二十世纪七十年代后得到迅猛的发展。德国于1977