短定子超导直线感应电机性能研究

杨 颖，邓江明，吕 刚

(1.中车株洲电力机车有限公司，株洲 412001；2.北京交通大学，北京 100044)

0 引 言

直线电机因其具有转弯半径小、爬坡能力强、噪声较低和工程造价低等方面的优势[1-2]，在轨道交通方面的应用越来越广泛，广州地铁4、5、6号线，北京地铁S1线以及长沙磁浮快线的接连投入使用[3-6]，都标志着直线电机在轨道交通领域具有广阔前景。

但是，常规铜绕组直线感应牵引电机的效率和功率因数都较低，能耗和效率问题也成为限制直线感应电机进一步发展的关键因素[7-9]。随着高温超导材料的不断发展和在各领域应用的不断拓展，将高温超导技术与直线电机技术结合在一起变成了可能[10-11]。之前，多数高温超导直线感应电机都是采用高温超导块材的直线同步电机，采用高温超导线圈的直线感应电机很少[12-14]。近年来，开始有人采用Bi系高温超导带材绕制的初级绕组来进行直线感应电机的研究。

目前，对高温超导直线感应电机的研究都是基于有铁心超导直线感应电机的，而有铁心电机因为铁心存在饱和的情况，所以无法充分利用高温超导材料零电阻、载流密度大的特性。并且，对超导直线感应电机的研究主要是分析输入参数和结构参数对电机电磁特性的影响。

本文主要针对无铁心超导直线感应电机的电磁特性展开详细研究，用ANSYS有限元软件对短定子无铁心超导直线感应电机的电磁特性进行分析[15-17]。首先对无铁心和有铁心电机的涡流、磁场以及各分量的分布情况进行了对比分析。之后对无铁心电机各频率的推力情况进行了分析，并将无铁心电机的牵引曲线与相同功率等级的铜绕组电机的牵引曲线进行了对比分析。最后对无铁心和有铁心电机的推力曲线和法向力法向力曲线进行了对比，从两种电机的性能对比得出无铁心超导直线感应电机的质量更轻，单位质量推力更大的结论。

1 短定子超导直线感应电机的模型

短定子无铁心和有铁心超导直线感应电机如图1所示。图1(a)中，无铁心超导直线感应电机包括超导线圈、次级感应板(铝板和铁板)和杜瓦容器，有铁心超导直线感应电机在此基础上增加了初级铁心。

(a) 无铁心

无铁心和有铁心超导直线感应电机除初级铁心外其他参数是相同的，电机主要参数如表1所示。

表1 短定子超导直线感应电机的主要参数

2 超导直线感应电机的电磁特性分析

根据短定子无铁心和有铁心超导直线感应电机的3-D仿真模型对两种电机进行电磁分析[18-19]。

2.1 涡流特性分析

无铁心超导直线感应电机在额定工况下(I=200 A，v=20 km/h，f=50 Hz，s=0.37)次级板表面涡流的分布图如图2所示。

图2 无铁心电机的次级板表面涡流分布图

图3给出了有铁心超导直线感应电机在额定工况下(I=80 A,v=20 km/h,f=50 Hz,s=0.37)次级板表面涡流的分布图如图3所示。

(a)

图4(a)、图4(b)分别给出了无铁心电机的次级板表面涡流z分量(Jz)的横向和纵向分布曲线。可以得出，Jz主要集中在初级和次级的耦合区域，在非耦合区域由于次级宽度的限制和磁阻的增大,使得感应出的Jz迅速减小。

(a) Jz的横向分布曲线

图5(a)、图5(b)为有铁心电机的次级板表面涡流Jz的横向和纵向分布曲线。有铁心电机涡流的分布规律与无铁心电机的相同，由于铁心的作用，次级感应板表面的涡流分量数值较无铁心电机的数值小。

(a) Jz的横向分布曲线

无、有铁心电机次级板表面x分量(Jx)的横向和纵向分布曲线分别如图6、图7所示。在无铁心电机中，由于次级宽度的限制，初级与次级的耦合区域偏离中心越远,Jx越大。有铁心电机的Jx分布与无铁心类似，Jx主要集中在绕组端部与次级的耦合区域，初级铁心与次级的耦合区域偏离中心越远,Jx越大，Jx最大值集中出现绕组端部与次级的耦合区域。

(a) Jx的横向分布曲线

2.2 磁场特性分析

无铁心超导直线感应电机在额定工况下气隙磁场的分布图如图8所示。

图8 无铁心电机的气隙磁场分布图

图9为有铁心超导直线感应电机在额定工况下气隙磁场的分布图。从数值比较可以看出，在额定工况下有铁心电机的气隙磁场要小于无铁心电机的磁场。

图9 有铁心电机的气隙磁场分布图

图10(a)、图10(b)分别给出了无铁心超导直线感应电机在额定工况下气隙磁场y分量(By)的横向和纵向分布曲线。由于横向边端效应的影响，次级涡流的作用使得By沿电机横向呈现马鞍形的分布曲线。同时，由于动态纵向边端效应的影响，使得By的纵向分布不均匀。

(a) By的横向分布曲线

有铁心超导直线感应电机在额定工况下气隙磁场By分量的横向和纵向分布曲线如图11(a)、图11(b)。有铁心电机的气隙磁场较无铁心电机的磁场增加了许多谐波，这是由于有铁心电机的齿槽效应造成的。

(a) By的横向分布曲线

3 无铁心电机牵引特性分析

图12为无铁心超导直线感应电机分别在10 Hz，30 Hz，50 Hz，80 Hz，90 Hz，100 Hz，120 Hz，140 Hz下的推力曲线图。随着频率逐渐增大，推力曲线的峰值对应的速度值也逐渐增大，但各推力曲线的变化趋势是相同的。

图12 无铁心电机多频率下的推力曲线图

图13(a)是国内某型直线电机与相同功率等级的无铁心超导直线感应电机的牵引曲线对比。图13(a)中，在速度为40 km/h之前牵引曲线为恒推力区，无铁心电机牵引力约为3.4 kN，国内某型直线电机牵引力为3.2 kN左右。在速度为40 km/h之后为恒功率区，牵引曲线随着速度的增加而逐渐降低。两种电机的牵引曲线变化趋势是大致相同的。

图13(b)为无铁心电机和国内某型直线电机的电流曲线图。图13(b)中，在速度为35 km/h之前无铁心电机电流恒为450 A，国内某型直线电机恒为330 A，在这之后两电机的电流随着速度的增加逐渐减小。

(a) 牵引曲线对比图

从两图的对比分析可以看出，两种电机的牵引力曲线是随着电流曲线的变化而变化的。

4 有无铁心电机的性能对比

图14(a)、图14(b)分别为无铁心和有铁心超导直线感应电机在额定工况下的推力曲线和法向力曲线对比图。无铁心电机在额定工况下推力约为3.4 kN，有铁心电机在额定工况下推力约为3.5 kN，在额定工况下有铁心超导直线感应电机的推力较大。

(a) 推力曲线对比图

图14(b)中，无铁心电机在额定工况下法向力约为1.9 kN，有铁心电机在额定工况下法向力为2.2 kN，在额定工况下有铁心超导直线感应电机的法向力较大。

表2为无铁心和有铁心超导直线感应电机的性能参数对比。从表2中可以看出，无铁心电机相比于有铁心电机的主要优势在于质量更轻，在额定工况下，无铁心电机的单位质量下的推力更大，而两种电机的额定功率、效率等大致相同，但无铁心的功率因数很低。

表2 有无铁心电机性能参数对比

5 结 语

本文通过对短定子无铁心和有铁心超导直线感应电机模型的仿真分析，得出了两种电机在额定工况下的涡流和磁场特性曲线，并通过对无铁心超导直线电机与国内某型直线电机牵引曲线的对比分析验证了电机模型的正确性。最后对两种电机的推力、法向力和性能参数的对比得出，无铁心电机相比于有铁心电机质量更轻，单位质量下推力更大，但是无铁心电机的功率因数较低。