Линейные индукторные тяговые электродвигатели

Двусторонние линейные индукторные тяговые электродвигатели (ДЛИТЭД) с переменно-полюсным возбуждением (рис. 3.15, а) состоят из двух симметричных индукторов, размещаемых на экипаже. Каждый из индукторов имеет два стальных шихтованных пакета с пазами для трехфазной обмотки переменного тока, имеющей одну пару полюсов. Пакеты расположены параллельно путевой структуре друг за другом и промежутком в одно полюсное деление якоря. Они соединены между собой ярмами, шихтованными вместе с пакетами. На каждом магнитопроводе размещена обмотка возбуждения постоянного тока специальной конструкции, обеспечивающей минимальные потоки рассеяния. Ярмо магнитопровода предназначено для проведения постоянного магнитного потока возбуждения. Переменная составляющая потока индуктора замыкается в зоне магнитопровода, прилегающей к зубцам. Вторичная его часть неподвижно закреплена на путевой структуре и состоит из ферромагнитных вставок в виде пакетов, набранных из горизонтальных листов стали. Высота пакетов несколько больше высоты башмаков индукторов, что позволяет полнее использовать магнитный поток для создания силы тяги. Ферромагнитные вставки расположены вдоль путевой структуры с интервалом в двойное полюсное деление.

Рис. 3.15. ДЛИТЭД и его векторная диаграмма: а — конструктивная схема; б -векторная диаграмма; 1 — немагнитные вставки; 2 — ферромагнитные вставки; 3 — якорная обмотка; 4 — обмотка возбуждении; 5 — пакет статора

В ОЛИТЭД (см. рис. 1.15) первичная часть состоит из шихтованного магнитопровода, на котором расположены трехфазная обмотка якоря и обмотка возбуждения. На нижней стороне эстакады закреплены шихтованные магнитные элементы путевой структуры. Магнитопровод с обмотками устанавливают на экипаже аналогично электромагнитам ЭМП (при его массе 40 т их число колеблется от 20 до 48).

ЛИТЭД характеризуются простотой изготовления пассивной путевой структуры, низкой себестоимостью, слабым влиянием краевого эффекта и высокими энергетическими показателями. Характерным недостатком ОЛИТЭД является наличие значительных сил притяжения между первичным и вторичным элементами. Тяговое усилие ЛИТЭД создается за счет взаимодействия бегущего токового слоя трехфазной обмотки с переменной составляющей магнитного поля возбуждения в зазоре, которая обусловлена периодической магнитной неоднородностью вторичной части. При определении конструкции ЛИТЭД [71] исходят из допущений, что насыщение стали, а не термическое напряжение составляет основное ограничение и что при питании от инвертора важное значение имеет выбор рабочего угла ф между продольной осью и максимумом тока якоря.

В ОЛИТЭД катушки возбуждения и якоря лежат в перпендикулярных друг к другу плоскостях. В результате путь магнитной цепи у постоянного униполярного потока будет поперек направления движения. В противоположность этому основная составляющая переменного потока, отчасти генерируемая явно полюсной конструкцией с переменным магнитным сопротивлени ем, а отчасти — токами якоря, изменяющимися во времени, развивается вдоль направления движения. Особую важность представляет то, что ферромагнитный материал якоря создает такую магнитную индукцию, которая изменяется в районе среднего значения, а не между положительным и отрицательным максимумом, как в обычных синхронных машинах. Поскольку в индукции якоря Ва кроме полезной переменной составляющей присутствует и средняя составляющая, то при конструировании приходится допускать высокое насыщение зубцов якоря, т. е. наиболее сильно напряженную часть железа якоря. С другой стороны, так как работа ОЛИТЭД зависит от эффектов переменного магнитного сопротивления, то нельзя допускать насыщение явно полюсной конструкции.

Униполярный ОЛИТЭД по существу не отличается от обычного явно полюсного синхронного двигателя. Поэтому его характеристику в установившемся режиме можно предопределить по обычной теории двух реактивностей. При этом выходная мощность

В униполярной машине полюсный шаг равен половине расстояния между смежными выступами полюсов. Поэтому насыщенный реактанс хая можно сделать равным хаа, выбирая длину лицевой поверхности полюса так, чтобы она была немного меньше полюсного шага. Вообще, разница между хаа и хач относительно небольшая, так что первая часть выражения (3.15) будет больше второй, т. е. оказывается, что при данном токе якоря и возбуждения развиваемая мощность будет максимальной, при ч|; = 0, как в машинах постоянного тока. Когда машина работает при постоянной частоте в синхронном режиме, она внутренне неустойчива при -фХ). Однако некоторые доводы свидетельствуют против выбора т1^0. Во-первых, ток якоря отстает от напряжения (см. рис. 3.15, б), и поэтому расчетная мощность в кВ-А как ОЛИТЭД, так и его инвертора превышает номинальную мощность в кВт. Опережающее напряжение также препятствует коммутации переключающих элементов.

Поскольку ОЛИТЭД склонен к насыщению контура магнитного потока, то для случая основные составляющие маг нитной индукции поля и якоря (Ва И В)), или более точно их МДС, складываются, по крайней мере, на половине лицевой поверхности полюса, и, таким образом, усложняют проблему о насыщении стали. Эту трудность можно преодолеть путем выбора положительного значения для г|?.

При рациональном методе расчета конструкции ОЛИТЭД выявляются ограничения: по максимально допустимой магнитной индукции на лицевой поверхности полюса (или соответственно

/

в воздушном зазоре) и магнитной индукции в зубцах якоря. Когда зубцы не насыщены, эти индукции имеют такое соотношение: /

где Т5 — шаг по пазам, а — ширина зубца.

Магнитная индукция на лицевой стороне полюса

где первый член соотношения связан с МДС полюса Л^//, а второй — с плотностью тока на поверхности якоря Ка.

Электромагнитная сила, создаваемая на единицу площади воздушного зазора, может быть определена с помощью выражения

где Сд — показатель магнитной проницаемости в межполюсном пространстве, пропорциональный поперечному насыщенному реактансу.

Обмотку якоря с целью уменьшения размеров лобовых частей следует выбирать катушечного типа нераспределенную (<7=0,5, обмоточный коэффициент Коб=0,867), а силу тока обмотки якоря определять из уравнения

Тяговое усилие для номинального режима

где 5акт = 4В8тЛдв — площадь активной поверхности ЛИТЭД; А — линейная токовая нагрузка якоря; ф — угол между векторами тока якоря и ЭДС возбуждения.

При больших токах в обмотках насыщаются магнитные элементы ЛИТЭД, прежде всего зубцы якоря, находящиеся в зоне путевых элементов, межполюсный магнитный поток возрастает, пульсация поля в зазоре уменьшается, рост силы Г* замедляется и ее величина в форсированном рабочем режиме

где pд — число треугольных элементов разбиения, прилегающих к контуру l BXf, Byj — составляющие вектора индукции Б /-го элемента по осям х и у, пХу пу — проекции единичной нормали Я по осям X, у.

Необычность конструкций ЛТЭД, наземного бесконтактного транспорта с магнитным подвесом, отличающихся большими воздушными зазорами, существенным влиянием концентрации полей вблизи углов ферромагнетиков и проводников, наличием областей с открытыми границами, требует знания магнитных и электрических полей для определения с высокой надежностью интегральных параметров устройств (потокосцеплений, сил, моментов, индуктивностей, емкостей и т. д.). Вместе с тем получивший широкое применение для расчета физических полей метод конечных элементов с использованием только треугольных конечных элементов с линейными аппроксимирующими функциями оказался плохо приспособленным для решения указанных задач. Особенно велики трудности в тех случаях, когда области расчета бесконечны.

Усовершенствование метода конечных элементов [9, 59] заключается в применении новых конечных элементов, корректно учитывающих особенности полей вблизи угловых точек границ раздела сред, а также бесконечных элементов, позволяющих расчет полей в неограниченных областях свести к расчету их в ограниченных областях. Точность расчета повышается при одновременном уменьшении числа неизвестных, а сокращению времени решения задач способствует и автоматизация построения конечно-элементной сетки. Картина полей, полученная таким методом, показана на рис. 3.16. Этим методом сравнительно легко можно обосновать способность ОЛИТЭД выполнять функции ЭМП не только для номинального режима, но и определить максимальное подъемное усилие, а также усилие при удвоенном воздушном зазоре. При этом принимаются следующие допущения: магнитная система не насыщена (ц=оо); обмотка возбуждения с постоянным током заменяется токовым слоем на поверхности стальных частей, магнитное поле в поперечном и продольном сечениях считается плоскопараллельным. Рассматривается случай, когда ток якоря равен нулю и расположение индуктора и путевых элементов симметрично. При указанных допущениях пондеромоторная сила между путевым элементом и индуктором по оси О у где В — магнитная индукция на поверхности 5П. э путевого элемента, нормальная к этой поверхности; 5П. в — часть поверхности путевого элемента, нормальная к оси Оу.

Рис. 3.16. Схема и результаты исследования ОЛИТЭД:

а — схема замещения магнитной цепи с линеаризованными параметрами; б — расчетная область зубцовой зоны; в -кривые распределения составляющих магнитного поля на поверхности путевого элемента ОЛИТЭД при 02^=0,1466 Вб/м: 1 — для зубца /^ = 1400 А; 2Ра~5040 А; сплошные кривые — Вц; штриховые — 2?т

Как показал анализ, в качестве 5П. э можно принять поверхность полюса элемента размером Ь~Х1Э, обращенную к индуктору. При этом погрешность расчета, связанная с неучетом составляющих силы на других поверхностях элемента, не превышает одного процента. Таким образом, расчет силы сводится к расчету магнитного поля в окружающем ферромагнитные элементы пространстве, а принятые допущения позволяют рассматривать не стационарное, а статическое магнитное поле, описываемое уравнением бн’О^габ г0=0,

где ь-иы(х, у) -скалярный магнитный потенциал.

Напряженность магнитного поля

Н =-gradС/ы, т. е.

Нх=-диы1дх; Ну=-ди1ду.

Граничные условия могут быть получены из допущения о введении поверхностной плотности токового слоя. При симметричном расположении путевых элементов относительно индуктора

Рис, 3.17. Покрытие расчетных областей ОЛИТЭД сетками из линейных треугольных, нерегулярных и бесконечных элементов: а — поперечное сечение; б — продольное их потенциал считается равным нулю, а на участке сердечника изменяется линейно от нуля до 1гі) (МДС обмотки возбуждения).

При токе якоря, равном нулю на полюсах индуктора, потенциал постоянен и равен 1 В. При М-+ оо ?/м(ЛІ)^0.

На рис. 3.17 приведены сетки, содержащие бесконечные, нерегулярные и треугольные элементы для описанного выше модуля. Применение других модулей позволяет рассчитать магнитное поле и другие характеристики олитэд.

В частности, подъемная сила в данном случае

где Нп-нормальная составляющая Я; п — единичная внешняя нормаль к 5П. э; <$„. э — поверхность путевого элемента.

Для удобства анализа результатов расчета подъемной силы (3.16), выполненных для-различных воздушных зазоров б, ширины полюсов Ь, длины путевых элементов /э и ширины пазов, целесообразно представить ее в виде

Коэффициент, учитывающий влияние краевого эффекта в поперечной плоскости,

Коэффициент, учитывающий влияние краевого эффекта в продольной плоскости при гладком зазоре,

Кривые для к 1, Кч и Кп приведены на рис. 3.18, а для подъемной силы, полученной расчетом (кривая 6) и экспериментально (кривая 7) -на рис. 3.19. Расхождение результатов не превышает 10%. Электромеханические характеристики ЛИТЭД представлены на рис. 3.19.

Рис. 3.19. Электромеханические характеристики ЛИТЭД:

а-ДИД-500 при ил аО В, о -Л50 км/ч; б — ОЛИД-2000 от числа индукторов на экипаже N 1-сила тока; 2 — сила тяги Fx; 3-мощность Р2; 4 — cos <р; 5- Т); в, 7 — F.(6) соответственно расчетная и экспериментальная; 8 -тр(ЛР); 9 — mHH(lV); /О —

Г)(Л0

Линейные синхронные тяговые электродвигатели | Транспорт с магнитным подвесом | Особенности теплового состояния ЛТЭД

Добавить комментарий