Содержание к диссертации
Введение
2. Расчет бегущего магнитного поля ЛСД 21
2.1. Расчетные схемы ЛСД и основные допущения 22
2.2. Расчет магнитного поля в двухмерном приближении 27
2 3. Трехмерная модель расчета магнитного поля 30
2.4. Интегральный учет влияния ширины статора 39
2.5 Учет влияния толщины обмотки статора на магнитное поле 43
2.6. Магнитное поле статора конечной ширины и конечной толщины 47
2.6.1. Точное решение 47
2.6.2. Решение по методу искусственной периодизации 51
2.7. Магнитное поле лобовых соединений 54
2.7.1. Магнитное поле лобовых соединений типа ленты 54
2.7.2. Магнитное поле лобовых соединений круглого сечения 59
2.8. Оценка влияния полюсного деления и воздушного зазора на магнитное поле статора 61
2.9. Выводы 64
3. Расчет нндуктивностей ЛСД 66
3.1. Собственные и взаимные индуктивности обмоток (двухмерное приближение) 66
3.2. Индуктивности ЛСД в трехмерном приближении 71
3.3. Определение индуктивностей с учетом высших пространственных гармоник магнитного поля статора 78
3.4. Выводы 83
4. ЭДС и электромагнитные силы ЛСД 85
4.1. ЭДС, индуктируемые в статора его бегущем полем 85
4.1.1 ЭДС, индуктируемая в статоре бегущем полем, созданным активными частями обмотки 85
4.1.2 ЭДС, индуктируемая бегущем полем, созданным активными и лобовыми частями обмотки 87
4.2. Уравнение равновесия напряжений и векторная диаграмма ЛСД 89
4.3. Силы и мощность ЛСД 92
4.3.1. Силы и мощность ЛСД в двухмерном приближении 92
4.3.2. Силы, действующие на ротор в трехмерном приближении 98
4.3.2.1.. Силы, вызываемые магнитным полем статора 98
4.3.2.2. Внутренние механические напряжения в роторе 99
4.4. Перегрузочная способность ЛСД 101
4.5. Выводы 105
5. Методика электромагнитного расчета ЛСД с СПОВ 106
5.1. Анализ литературы и исходные положения 106
5.2. Определение главных размеров ЛСД 111
5.3. Методика расчета ЛСД 115
5.3.1. Расчет при заданном напряжении 116
5.3.2- Расчет при заданном коэффициенте мощности 121
5.4. Энергетические показатели ЛСД 123
5.5. Выводы 127
Глава 6. Экспериментальное исследование ЛСД 129
6.1 Цель и задачи экспериментального исследования 129
6.2, Экспериментальная установка 130
6.3. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных 134
6.4. Выводы 139
Заключение 141
- Учет влияния толщины обмотки статора на магнитное поле
- Определение индуктивностей с учетом высших пространственных гармоник магнитного поля статора
- Уравнение равновесия напряжений и векторная диаграмма ЛСД
- Расчет при заданном коэффициенте мощности
Введение к работе
BL Высокоскоростной наземный транспорт на магнитном подвесе Развитие промышленности и рост городского населения в большинстве стан мира [1, 19, 52 — 54, 58, 81, 102, ПО] приводят к необходимости решения проблемы увеличения объемов грузовых и пассажирских перевозок, а также повышения скоростей движения транспортных средств [20, 64, 70, 120], Очевидно, что указанная проблема может быть решена либо совершенствуя традиционные виды транспорта, либо разрабатывая принципиально новые транспортные средства.
Одним из перспективных направлений развития высокоскоростного наземного транспорта (ВСНТ) является применение вместо колес магнитного подвеса [35, 53, 54, 67, 70], основанного либо на притяжении электромагнитов к ферромагнитной шине, либо на отталкивании катушки с током от левитационной шины, в которой при ф движении экипажа с обмоткой возбуждения индуктируются вихревые токи, В первом случае принято говорить об электромагнитном подвесе (ЭМП), во втором — об электродинамическом подвесе (ЭДН). Для создания силы тяги при этом используются линейные синхронные (ЛСД) или асинхронные (ЛАД) двигатели [7,15,41, 49, 67, 84].
В процесс разработки и строительства наземного транспорта с магнитным подвесом вовлекается все большее число стран. Если в середине 70-х годов среди них были, прежде всего, ФРГ и Япония, а также СССР, США, Англия и Канада, то к 90-м годам к ним добавились Испания, Тайвань, Мексика, Бразилия, Венесуэла, Индия, Румыния, Китай, Швейцария, Южная Корея, Саудовская Аравия и Австралия [7, 67].
Наибольших успехов в разработке систем ВСНТ достигли ученые и конструкторы Японии и Германии [74]. Исследования ЛСД и ЭДП со сверхпроводниковым возбуждением в Японии ведутся с 1968 г, В декабре 1989г. опытный экипаж на 7-километровой трассе достиг рекордной скорости 517 км/ч [19]. Конечной целью является создание линии ВСНТ между Токио и Осакой, где высокоскоростная железная дорога, работающая с 1964 г., уже практически исчерпала свои возможности- В Японии разработаны также транспортные средства с ЭМП и ЛАД для связи города с его аэропортом и междугородных пассажирских перевозок со скоростями 120 - 300 км/ч [106, 108,110].
В Японии, на полигоне Миядзаки, расположенном на восточном побережье о-ва Кюсю, проходил испытания трехвагонный поезд MLU-001 длиной 28.8 м. Вместимость каждого вагона-32 пассажира, масса -10 т [101]. На каждом вагоне установлено по восемь сверхпроводящих катушек, общих для ЛСД и ЭДП. Система ЭДП и направления движения поддерживает зазор между вагонами и путевой структурой порядка 100 мм. Охлаждение катушек осуществляется по замкнутому циклу: с общим ожижителем гелия в головном вагоне и с индивидуальными ожижителями на каждый криостат в остальных вагонах [101, 108, 110, 111,120,121].
На выставке ЕХРО-85 в Цукубе демонстрировался экипаж HSST-03 с комбинированной системой ЭМП и ЛАД [103, 118]. Цельносварной алюминиевый кузов экипажа массой 12 т и вместимостью 47 человек опирался на шесть модулей подвеса, тяги и направления движения. Каждый модуль содержал один статор ЛАД и четыре электромагнита.
Вблизи г. Оцуки (Япония) 3 апреля 1997 г. открыт участок длиной 18,4 км - первая очередь полигона, полная длина которого 42,8 км, для испытания поезда на магнитном подвесе с использованием сверхпроводимости [74]. Основная цель проекта - разработка транспортной системы нового вида для массовых высокоскоростных пассажирских перевозок, в частности между Токио и Осакой, где время в пути не должно превышать один час.
В 1978 г. в ФРГ был организован консорциум семи ведущих фирм для разработки транспортной системы Transrapid с ЭМП и ЛСД без использования сверхпроводимости [67, 102].
На полигоне в долине реки Эмс [67, 123] проходил испытания двухвагонный экипаж TR-06 длиной 54.2 м и массой 102.4 т, рассчитанный на перевозку 192 пассажиров. Испытательный путь длиной 31.5 км содержал прямолинейный участок и два кольцевых участка с радиусами 1690 и 1000 м. Использовалась комбинированная система ЭМП и ЛСД с длинным ферромагнитным статором. Проведенные испытания TR-06 показали высокую плавность хода и низкий уровень шума [102]- Удельное энергопотребление в зависимости от скорости движения составляло 0.2 - 0.4 кВт/пас, Это примерно соответствует потреблению энергии на легковых автомобилях.
С 1976 г. фирма Thyssen Henschel совместно с Техническим университетом в Брауншвейге разрабатывает городскую транспортную систему M-Bahn. В качестве тягового привода используется ЛСД с длинным ферромагнитным статором[98, 99]. Для возбуждения ЛСД применяются постоянные магниты, которые одновременно поднимают вагон. Величина зазора фиксируется роликами.
Во Франции в 1981 г. открыто движение по двухпутной линии Париж-Лион [67], строится линия Париж-юго-восток.
Реконструируются существующие железнодорожные линии и строятся новые высокоскоростные магистрали в Германии и Англии [7, 19].
Ведутся исследования по созданию высокоскоростных железных дорог в США и Канаде [58].
Проведенные в Англии исследования ЭМП и ЛСД легли в основу проекта транспортной линии PMG-Shuttle, соединяющей аэропорт с железнодорожными вокзалами в Бирмингеме [90» 92 - 95,105, 112]- На стальных шпалах крепятся прямоугольные шихтованные шины подвеса и направления движения, комбинированная сталеалюминевая реактивная шина ЛАД, два контактных рельса системы токоподвода и индукционный кабель для передачи сигналов на движущийся поезд. Каждый из вагонов двухвагонного поезда имеет массу 4,8 т и рассчитан на перевозку до 40 пассажиров с максимальной скоростью 48 км/ч. Под вагонами установлены статоры ЛАД и по четыре электромагнита с камедой стороны.
В Китае при помощи Компании Thyssen Krypp AG (Германия) планируется построить линию на магнитном подвесе протяженностью 32 км, соединяющую центральную часть города Шанхай и аэропорт в районе Пудонг. В дальнейшем планируется сооружение линии на магнитном подвесе Шанхай-Пекин длиной 1300 км [53].
В таблице 1.1 приведены сведения о созданных системах ВСНТ с различными видами подвеса [7,67, 81].
Обнаружение в 1986г явления высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) с температурой сверхпроводящего перехода выше температуры жидкого азота (77 К) и интенсивные фундаментальные и прикладные исследования позволяют определить наиболее перспективные области промышленного применения ВТСП материалов. Кроме "слаботочных" устройств (микроэлектроника) прогнозируется достаточно широкий сектор рынка электротехнических материалов на основе ВТСП проводников. В таблице 1,2 приведены прогнозы мирового рынка в млрд. долл. США» сделанные Консорциумом европейских компаний [57] по использованию сверхпроводимости - в числителе, и по данным Международной встречи по вопросам сверхпроводниковой промышленности (ISISII, 1993) - в знаменателе [57].
Повышение скоростей движения ВСНТ до 400 - 500 км/час в настоящее время, можно считать осуществимым и рациональным при условии использования линейных тяговых двигателей и систем магнитного подвешивания [ 1 , 2, 6, 90]. Указанные скорости и соблюдение условий, обеспечивающих безопасность движения, достигаются при этом при относительно больших рабочих зазорах (0.2 — 0,3 м) в тяговых двигателях,
В большинстве работ по линейным тяговым двигателям основное внимание уделяется ЛАД. Это объясняется тем, что теория этих машин в настоящее время наиболее развита проведение экспериментов для проверки сходимости теоретических выводов с практическими результатами не составляет больших трудностей.
Анализ опубликованных данных [6, 12,13 - 16, 41, 84] показывает, что ЛАД, используемые на ВСНТ, эксплуатируются с зазором 2 - 4 см и даже при столь небольших клиренсах обладают невысокими эксплуатационными характеристиками: коэффициент мощности « 0,4 -0,5 и КПД % 0.5 - 0.6. Дальнейшее увеличение рабочего зазора ЛАД в еще более значительной степени ухудшит эти показатели- Низкие КПД и коэффициент мощности, в свою очередь, обусловливают необходимость дополнительного подвода электроэнергии и, соответственно, новые затруднения в решении проблемы токоподвода.
Учет указанных обстоятельств [7, 14,41 67,97, 109, 119] позволяет считать, что в системах ВСНТ с электродинамическим подвесом целесообразным является применение в качестве тяговых двигателей ЛСД со сверхпроводниковыми обмотками возбуждения (СПОВ).
Принцип действия ЛСД с СПОВ основан на взаимодействии поля, создаваемого СПОВ, с бегущей МДС индукторной обмотки. Достоинствами ЛСД применительно к ВСНТ являются: допустимость больших воздушных зазоров (0,2-0.3 м); относительно высокие технико-экономические показатели (КПД 0-8 - 0.6 и costp 0.7 — 0.8) и более простая система энергоснабжения. Однако возрастает стоимость путевой структуры и сохраняются недостатки сверхпроводниковых электрических машин (СПЭМ) с ЭДП, связанные с необходимостью применения криогенного оборудования и сверхпроводящих материалов, что увеличивает их стоимость, К особенностям ВСНТ с ЭДП также следует отнести недостаточную подъемную силу левитации при скоростях MQUGC 80 км/час, что требует применения колес для разгона и остановки экипажа; высокое воздушное сопротивление движению [15] при скоростях свыше 300 км/час.
Проблема создания ВСНТ является особенно актуальной для России, имеющей большую территорию и такие города с многомиллионым населением, как Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург и др. Необходимость применения ВСНТ обусловила проведение в СССР в 1970 — 1990гг фундаментальных научных исследований и опытно-конструкторских работ [4, 6, 13 — 15, 41], посвященных созданию тяговых электродвигателей [45, 47, 55, 63], систем магнитного подвеса [36, 44, 67] и сверхпроводниковых обмоток [11,14,23,24,29,32].
В СПбГЭТУ "ЛЭТИ" Министерством электротехнической промышленности была создана отраслевая научно-исседовательская лаборатория (ОНИЛ), сотрудники которой занимались разработкой теории сверхпроводниковых ЛСД [21,22,40 - 43].
Актуальность проблемы ВСНТ для России в настоящее время является по-прежнему высокой [34, 35, 38, 58, 62, 70], Однако распад СССР и трудности с финансированием ограничивают выполнение «t теоретических исследований и проведение испытаний на полигонах.
Настоящая диссертационная работа продолжает работы, выполнявшиеся в ОНИЛ и на кафедре электрических машин ЛЭТИ в 1975-1995гг [21, 22,41] В.2. Состояние теории ЛСД
Первые труды по теории линейных двигателей были опубликованы в 1973 году [66, 89], В этих трудах рассматривались основы теории ЛСД но отсутствовали соотношения, позволяющие рассчитать их рабочие характеристики и оценивать технико экономические показатели.
Среди публикаций, посвященных разработке теории ЛСД, следует выделить работы американских и японских специалистов Торнтона [64, 103, 105, 122], Ивамото, Оно, Ямада [ 1 ] по реактивным ЛСД с подмагничиванием, Следует также отметить большой вклад советских и российских ученых [4,6, 13-16,21,34, 36, 41,67 и др.], ЛСД имеют существенные конструктивные особенности, учет которых не может быть произведен в рамках теории традиционных электрических машин [18, 31, 41, 67, 73],
К этим особенностям в первую очередь следует отнести:
зависимость состояния СПОВ от температуры, магнитного поля и механических нагрузок; отсутствие ферромагнитопроводов; значительные краевые эффекты, возникающие из-за разомкнутости системы статорных обмоток и конечности их поперечных размеров.
Первая особенность требует учета критических параметров сверхпроводящих материалов. Вторая и третья — приводят к существенной неоднородности магнитного поля в рабочем зазоре и необходимости учета, как минимум, двух составляющих магнитного поля, действующих на обмотки [7, 13,22, 41, 67].
В результате становится необходимой разработка методов расчета электрических и магнитных полей ЛСД в двух и трехмерной постановках.
Следует отметить, что в опубликованных работах перечисленные особенности в необходимой степени не учитываются.
Так в работах Торнтона и др., например [122], задача решается на основе известных уравнений электромеханики, используя выражения для энергии через собственные и взаимные индуктивности и токи контуров индуктора. При этом не учитываются конечные размеры проводников и свойства сверхпроводящих материалов, отсутствуют выражения для определения параметров и выходных показателей ЛСД.
В работах японских специалистов [64], используются те же допущения и методология и получены уравнения для определения сил, действующих в трех направлениях, мощности, КПД и коэффициента мощности ЛСД. При этом отсутствует расшифровка выражений для определения взаимных и собственных индуктивностей.
Рабочие материалы и отчеты специализированных фирм, возможно, содержащие уточненные методики и разработки по теории и проектированию ЛСД, использованные при выполнении проектов ВСНТ с ЛСД (см. [83, 88,91, 109,117]) не опубликованы.
Разработка теории и расчета одностороннего ЛСД [7, 14, 41 ,62, 67] основывается на определении магнитного поля статора. Зная токи в обмотках и поле статора, определяются силы, действующие на ротор, электромагнитная мощность, собственные и взаимные индуктивности фаз, а также ЭДС, индуктируемые в обмотке статора, и все показатели характеризующие работу машины. Решение указанной задачи приводится в [21, 22, 34, 41]. Однако при этом не исследован вопрос влияния главных размеров ЛСД на энергетические показатели. Следует также отметить, что в этих работах не было уделено достаточного внимания влиянию магнитного поля лобовых частей на характеристики ЛСД, что значительно влияет на точность методики расчета ЛСД.
В [7] рассматриваются основы проектирования обмоток возбуждения ЛСД и решается задача определения составляющих магнитного поля обмотки возбуждения с проводом прямоугольного сечения. Также предлагаются методы проектирования устройств экранирования салона экипажа от магнитного поля, т. к. эти поля оказывают отрицательное воздействие на организм человека. Отмечается, что максимальное значение силы тяги зависит от соотношения между воздушным зазором и полюсным делением, но при этом не определяется это соотношение.
Транспортные системы с электродинамическим подвесом и приводом от ЛСД в проблеме ВСНТ оказались менее исследованными, чем устройства с ЛАД. В монографии Болдеа [89, 90] и книге под редакцией В- И- Бочарова и В- Д. Нагорского [6] изложены лишь физические основы и приведены приближенные выражения для определения усилий и других параметров устройств с электродинамической левитацией и ЛСД
В книге [67] рассматриваются различные конструктивные исполнения ЛСД и систем ЭДП, Магнитные поля, создаваемые обмотками возбуждения и статора, рассчитываются путем суммирования напряженностей, создаваемых токами элементарных проводников, на которые подразделяются реальные катушки. Численное интегрирование с использованием формулы Симпсона требует больших затрат времени ЭВМ, Выражения для расчета индуктивностей и рабочих характеристик ЛСД не приводятся.
В работе [79], для расчета магнитного поля и силы тяги используются веерные цепные схемы, предполагающие расщепление обмоток и сплошных электропроводящих полос на элементарные линейные проводники. Конечные выражения представляются в виде сумм, число которых определяется числом элементарных проводников. Предлагаемые способы не содержат методики расчета индуктивностей и рабочих характеристик тягового электропривода на основе ЛСД с частотным управлением- Весьма трудоемким может оказаться учет высших гармоник
В опубликованных трудах О. А- Герасева, КХ П. Коськина и Л, А. Цейтлина [21, 22], посвященных ЛСД, приведены новые методики решения задач по определению магнитного поля, создаваемого трехфазными статорными обмотками ЛСД при отсутствии ферромагнитопроводов. Методики основаны на решениях уравнений Лапласа в двух и трехмерной постановках. Получены формулы для расчета собственных и взаимных индуктивностей обмоток ЛСД. В указанных публикациях отсутствуют методики определения размеров, расчета рабочих характеристик режимов функционирования ЛСД, не приведены результаты сопоставления экспериментальных и расчетных данных.
В работах В, М. Бочарова, В. А. Винокурова и других авторов [7, 15], предполагаются известными способы определения индуктивностей при ориентации на тяговые ЛАД и ЛСД с ферромагнитопроводами, не учитываются концевые эффекты.
Выполненный анализ опубликованных трудов, посвященных тяговым электроприводам ВСНТ, а также опыт, приобретенный автором при выполнении хоздоговорных НИР на кафедре электромеханики и электромеханотроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в 1997 —2002гг, позволяют считать, что несмотря на преимущества ЛСД перед ЛАД при скоростях 400 — 500 км/час, остаются актуальными и, в тоже время, до сих пор недостаточно разработанными и апробированными вопросы, связанные с методиками определения главных размеров, параметров, рабочих характеристик и технико-экономических показателей режимов тяговых, без ферромагнитопроводов ЛСД с протяженными статарными обмотками, образующими путевые структуры, и обмотками возбуждения, находящимися в криогенных модулях движущегося экипажа,
ВЗ. Цель, задачи и содержание диссертационной работы.
Учитывая актуальность проблемы ВСНТ и состояние теории и технологий тяговых приводов на современном этапе развития науки, целью диссертации является разработка методики расчета параметров и рабочих характеристик тягового линейного синхронного двигателя, отличающегося отсутствием ферромагнитопроводов, использованием сверхпроводниковых обмоток возбуждения и предназначенного для ВСНТ.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Разрабатывается математическая модель ЛСД в двухмерном
приближении и определяется влияние основных размеров ЛСД на магнитное поле и тяговую электромагнитную силу;
2. Выполняется оценка влияния высших пространственных гармоник и учитывается влияние толщины обмотки статора на магнитное поле ЛСД;
3. Разрабатывается трехмерная математическая модель ЛСД, учитывающая влияние поперечного краевого эффекта» связанного с конечностью ширины обмотки статора на индуктивности;
4. Разрабатывается математическая модель ЛСД, учитывающая влияние магнитного поля лобовых частей обмотки статора на рабочие характеристики;
5. Разрабатывается методика электромагнитного расчета, позволяющая выбрать оптимальные основные размеры ЛСД: в первую очередь, такие как полюсное деление и ширина обмотки статора;
6. Выполняется оценка влияния основных размеров на энергетические характеристики ЛСД;
7. Разрабатывается физическая модель ЛСД» не содержащая ферромагнитопроводов, выполняется экспериментальное исследование магнитного поля обмотки статора, проверяются основные уравнения методики расчета рабочих характеристик.
Научная новизна. Научная новизна диссертации заключается в учете особенностей однослойных и двухслойных статорных обмоток ЛСД, используя известные из теории обычных электрических машин и новые уравнения для обмоточных коэффициентов распределения и сокращения шага- Кроме того, вместо уравнений для полного тока на полюс» используемых Л. А, Цейтлиным и Ю. П. Коськиным при разработке теории электрических машин с немагнитным ротором, применяются выражения для намагничивающей силы, получаемые при допущении, что являются заданными числа витков в катушках, способы образования и соединения катушечных групп в фазах, их основные размеры. Получены новые уравнения и методики расчета магнитного поля, индуктивностей и рабочих характеристик ЛСД Практическая ценность состоит в следующем: щ • Разработан применительно к ЛСД метод искусственной периодизации, позволяющий упростить расчет магнитного поля обмотки статора ЛСД при достаточной для практики точности;
• Разработана методика электромагнитного расчета ЛСД, обеспечивающая выбор и оптимизацию параметров и энергетических показателей ЛСД;
• Даны рекомендации по выбору главных размеров и рабочих режимов ЛСД.
Метод исследования. Исследование выполнялось с использованием теории электромагнитного поля. Численные методы применялись в виде пакетов прикладных программ Mathcad 7 pro, MATLAB 5.2, MATEMATICA 3, AG graphic. Обработка экспериментальных данных производилась с применением программы ExelL Оценка адекватности принятых моделей и сходимости полученных результатов выполнялась при проведении натурных измерений и испытаний экспериментального образца ЛСД.
Апробация работы. Основные положения и результаты были представлены и доложены на 2-ей международной конференции "Электромеханика и электротехнологии" ICEE-98, г. Клязьма, 14 — 18 сентября 1998 г.; 4-ой международной конференции по нетрадиционным электромеханическим и электрическим системам UEES-99, г. Санкт-Петербург, 21-24 июня 1999 г.; внутривузовских научно-технических конференциях, а также на научных семинарах кафедры электромеханики и электромеханотроники СПбГЭТУ "ЛЭТИ",
Публикации. По теме диссертации опубликовано три печатных работы, из них тезисы к двум докладам на международных научных конференциях, одно учебное пособие.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из шести % глав, заключения, списка литературы, включающего 124 наименования, и семи приложений. Основная часть работы изложена на 143 страницах машинописного текста. Работа содержит 51 рисунок и 4 таблицы.
Краткое содержание работы
В первой главе обоснована актуальность темы диссертации» выполнен обзор состояния теории ЛСД, сформулирована цель и задачи исследования, изложено основное содержание диссертации, отражена научная новизна и практическая ценность.
Во второй главе определяется магнитное поле обмотки статора в двухмерном и трехмерном приближениях; при этом используются два метода: метод преобразования Фурье и метод искусственной периодизации. Найдены коэффициенты %z и %х интегрально учитывающие конечность ширины обмотки статора. Учитывается поле лобовых частей и дана оценка влияния рабочего воздушного зазора и полюсного деления на поле статора.
Третья глава посвящена расчету индуктивностей ЛСД в двухмерном и трехмерном приближениях. При этом получены выражения для собственных и взаимных индуктивностей, учитывающие особенности модификаций статорных и роторных обмоток. Также учитывается вклад высших пространственных гармоник.
В четвертой главе определяются ЭДС, индуктируемые в обмотке статора собственным магнитным полем и полем ротора. Получены выражения для электромагнитных сил, действующих на секции ротора, и электромагнитной мощности. Исследовано влияние полюсного деления и воздушного зазора на тяговую силу ЛСД. Предлагается выражение» учитывающее возможность обеспечения необходимой перегрузочной способности ЛСД.
В пятой главе разработана методика электромагнитного расчета ЛСД со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения, позволяющая выбрать главные размеры и оптимизировать рабочие режимы. При этом задается либо питающее напряжение, либо коэффициент мощности.
В шестой главе экспериментально исследованы характеристики и распределение магнитного поля обмотки статора ЛСД, в котором обмотки статора и ротора изготовлены из обычных медных проводов. При холостом ходе измерялись составляющие индукции магнитного поля обмотки статора в вертикальном, продольном и поперечном направлениях. Сопоставлены экспериментальные и расчетные данные.
Учет влияния толщины обмотки статора на магнитное поле
Поскольку в результирующем поле статора гармоники порядка Зк (к- целое число) отсутствуют, то суммы в числителях формулы (3.52) распространятся только на гармоники порядка (6±1). В правильно спроектированных обмотках [18] влияние высших пространственных гармоник на синхронную индуктивность и ЭДС сравнительно небольшое. 3.4.1. Определение собственных и взаимных индуктивностей обмоток ЛСД произведено без применения понятий о потоках и индуктивностях рассеяния, что представляется целесообразным, учитывая отсутствие в ЛСД ферромагнитопроводов; 3.4.2. Выражения для индуктивностей ЛСД получены с использованием известных из классической теории электрических машин понятий об обмоточных коэффициентах и учитывают особенности однослойных и двухслойных статорных обмоток, применяемых без ферромагнитопроводов; 3,4,3, Формулы для индуктивностей в двухмерном (п, 3.1) и трехмерном (п. 3,2) приближениях учитывают размеры активных и лобовых частей обмоток статора и ротора и величину воздушного зазора, под которым в ЛСД понимается расстояние между плоскостями обмоток статора и ротора (рис. 2-2); 3,4-4, Для учета конечной ширины обмотки статора предлагается использовать формулу (3.8) для интегрального коэффициента %\ определяющими размерами ЛСД в которой являются полуширина обмотки статора и расстояние между обмотками статора и ротора; 3.4.5. Оценку влияния размеров лобовых частей обмоток на индуктивности предложено производить с помощью коэффициента x,z, формула (3.24) для определения которого включает размеры вылетов лобовых частей и полюсного деления; 3-4.6- Получено, что расчет индуктивностей в двухмерном приближении может производиться с необходимой точностью ( 10%) в случаях, если отношение активной длины обмотки статора к полюсному делению превышает L5 + 2; 3.4.7, Уравнения (3,50) и (3,51) для определения индуктивностей с учетом высших пространственных гармоник магнитного поля учитывают размеры и числа витков катушек, а также расстояние h между обмотками. При используемых в ЛСД значениях h влияние высших гармоник на взаимные индуктивности является незначительным. Глава 4. ЭДС и электромагнитные силы ЛСД В [41] рассматриваются ЭДС, индуктируемые в обмотке статора полем ротора и собственным магнитным полем, созданным токами, протекающими по активным частям проводов, не учитывая при этом токи, протекающие по лобовым частям. Также определены электромагнитные силы, действующие на секции ротора, и электромагнитная мощность. В данной главе в отличие от [41J определяются ЭДС, индуктируемые в обмотке статора с учетом магнитного поля лобовых частей- Определяется соотношение между полюсным делением и воздушным зазором обеспечивающее получение заданной тяговой силы ЛСД. Предлагается выражение, учитывающее возможность обеспечения необходимой перегрузочной способности ЛСД. 4.1. ЭДС индуктируемые в статоре его бегущем полем 4.1.1 ЭДС, индуктируемая в статоре бегущем полем, созданным активными частями обмотки Выражения для взаимных индуктивностей обмоток статора и ротора и синхронной индуктивности обмотки статора (см, главу 3) используем для определения ЭДС, индуктируемых в фазных обмотках статора его собственным бегущим полем и полем ротора. ЭДС, индуктируемая в первой фазе статора полем ротора, определяется по формуле:
Определение индуктивностей с учетом высших пространственных гармоник магнитного поля статора
Рассматриваемый тип ЛСД существенно отличается от синхронных машин традиционного исполнения не только полным отсутствием ферромагнитных элементов, создающих определенные пути для прохождения основных магнитных потоков, но и своей формой, определяемой поступательным характером движения вторичной части,
С другой стороны, по конструктивным соображениям и условиям эксплуатации систем ВСНТ, рабочий зазор между ротором и статором должен быть как можно большим (порядка десятых долей метра), и поэтому с обмоткой ротора сцепляется относительно небольшая часть магнитного потока статора.
Кроме того, в отличие от традиционных электрических машин, опыт создания ЛСД для ВСНТ отсутствует и это затрудняет соблюдение последовательности расчета, характерной для вращающихся электромеханических преобразователей [18].
При наличии столь существенных отличий обычная теория синхронных машин и методы их расчета не могут быть непосредственно применены к расчету параметров и характеристик рассматриваемого типа ЛСД. Для таких двигателей, как и для любой электрической машины с немагнитным ротором, задачи расчета решаются методами, отличающимися от классических.
Известны книги Бочарова В.И.» Бахвалова Ю,А., Бута Д. А,, Винокурова В.А., Талья И-И [6, 8, 9, 16, 17, 38] и других авторов, в которых рассматриваются основы теории, расчета и проектирования линейных синхронных двигателей.
В [6] рассматривается методика определения потерь энергии в сверхпроводящих электромагнитах, расположенных в экипаже ВСНТ. Дана методика расчета влияния магнитных полей на характеристики сверхпроводящих обмоток электродинамического подвеса экипажа. Также предложен алгоритм расчета характеристик ЛСД в установившемся режиме, при непосредственном подключении его к сети 50 Гц. При этом предполагаются заданными токи в обмотке статора и ротора, а также сила тяги. Последовательно, определяются сечение проводников обмотки статора, ЭДС взаимоиндукции, наведенная в обмотке статора полем ротора, и собственная ЭДС. В ходе расчета определяются также фазное напряжение, подаваемое на зажимы обмотки статора, коэффициент мощности и КПД. Перегрузочная способность двигателя исследована с учетом перехода стыков питаемых участков обмотки статора. При этом, подчеркивается наличие значительной зависимости значения полюсного деления от величины рабочего зазора, но нет аналитического выражения, показывающего их оптимальное соотношение для обеспечения необходимой силы тяги ЛСД
В [7] на основе энергетического подхода дано аналитическое выражение для определения электромагнитного усилия, действующего на сверхпроводящую обмотку возбуждения. При этом используются понятия о собственных и взаимных индуктивностях, однако не приводятся выражения для их определения в конечном виде. Также даны выражения для определения фазных напряжений и ЭДС. Отмечается, что при разгоне тяговое усилие ЛСД увеличивается примерно вдвое.
Из [6] следует, что из-за необходимости обеспечения минимального расхода материалов и уменьшения омического сопротивления в ВСНТ целесообразно использовать однослойные волновые обмотки, которые можно изготовлять из одновитковых секций длиной 10 - 15 м, из шин прямоугольного сечения или путем укладки непосредственно кабеля.
В [89] на основе закона Био-Совара получены выражения для магнитной индукции для прямоугольной катушки по трем декартовым координатам. Дана рекомендация по выбору длины питаемого участка обмотки статора в пределах от одного до десяти километров, при токах в обмотке возбуждения (2,5-5-4)-10 А и в обмотке статора 1000 -2000 А, что соответствует мощности ЛСД около 5 МВт. Помимо силы тяги определены также продольные и поперечные силы, действующие на экипаж, используя энергетический подход- Приведены выражения, на основе формулы Неймана, позволяющие определить коэффициент взаимной индукции между обмотками статора и ротора. Однако отсутствует алгоритм расчета ЛСД.
Теория и расчет ЛСД с СПОВ более подробно и последовательно рассматриваются в [21, 22, 41]. Задачи решаются на основе полевого подхода в двухмерной и трехмерной постановках, предложены формулы для определения собственных и взаимных индуктивностей. Учтено влияние ширины и толщины обмотки статора на магнитное поле в зазоре. Но при этом не рассматривается поле лобовых частей и отсутствует методика электромагнитного расчета ЛСД.
В [67] рассматривается ВСНТ с ЛСД и СПОВ. Определены: магнитное поле прямоугольной катушки без сердечника и с ферромагнитным полюсом, магнитное поле в катушке возбуждения:. Приведены решения этих и других задач, ряд теоретических положений подтверждены экспериментально. Однако отсутствует методика расчета ЛСД с СПОВ.
Уравнение равновесия напряжений и векторная диаграмма ЛСД
Спроектированная и изготовленная во ВНИИ малых машин физическая модель ЛСД, имеющая медные статорные и роторные обмотки, размещенные на деревянных основаниях, обеспечивает измерение магнитных полей и, параметров двигателя без применения криогенного охлаждения; 6,4,2. При измерениях магнитного поля фазы трехфазной обмотки статора запитывались переменными токами, значения и направления которых в фазах изменялись в соответствии с законами, обеспечивающими получение бегущего магнитного поля.
Сопоставление результатов измерений с помощью датчиков Холла и эталонных измерительных катушек ВНИИ метрологии показало, что катушки обеспечивают более стабильные и точные измерения магнитных индукций; 6,4-3. Расхождение экспериментальных и расчетных данных при исследовании магнитного поля ЛСД не превышало 10 — 15%- Учитывая трудности измерения индукций, имеющих значения порядка 5-10 Гс, указанную погрешность можно считать допустимой. Эксперименты подтвердили принципиальную правильность разработанных двухмерных и трехмерных расчетных моделей ЛСД и возможность применения их для инженерного проектирования; 6,4,5 Подтверждена возможность использования в инженерной практике интегрального коэффициента %z учитывающего конечную ширину обмотки статора; 6.4.6, Установлено, что для экспериментальной проверки методик расчета электромагнитных сил, КПД, в макетах целесообразно использовать форсированное охлаждение обмоток (например, криогенное) и приборы классов точности 0.1 и 0,2 (динамометры и ваттметры). В диссертации рассмотрены вопросы расчета индуктивностей и рабочих характеристик линейных синхронных двигателей для высокоскоростного наземного транспорта- Основные результаты работы заключаются в следующем: Произведен аналитический обзор литературы по состоянию разработок в области применения сверхпроводимости, показывающий, что достигнутые современной промышленностью значения критических параметров сверхпроводящих материалов и достаточно отработанные и налаженные технологии производства криогенного оборудования позволяют уже в настоящее время рассчитывать на создание ВСНТ с комбинированными системами тяги, левитации и стабилизации, С точки зрения надежности и конструктивной выполнимости реально осуществимым представляется односторонний без ферромагнитопроводов линейный синхронный двигатель со сверхпроводниковыми обмотками возбуждения, располагаемыми на экипаже, и однослойной обмоткой переменного тока» размещаемой на путепроводе. Линейные синхронные двигатели со сверхпроводниковыми обмотками возбуждения рассматриваются в качестве основного варианта линейных тяговых двигателей в системах ВСНТ Японии, Канады и США, В ФРГ также признается целесообразным применение ЛСД в экипажах с большими грузоподъемностью и скоростью. Применение в ЛСД сверхпроводниковых обмоток возбуждения, отсутствие ферромагнитопроводов и относительно большие рабочие зазоры делают невозможным использование теории обычных синхронных машин для проектирования ЛСД ВСНТ. В диссертации разработаны основы теории и методики расчета ЛСД без ферромагнитопроводов и со сверхпроводниковыми обмотками возбуждения, учитывающие трехмерность магнитного поля и конечные размеры активных проводников; V.I. Предложены методики расчета бегущего магнитного поля, создаваемого распределенной обмоткой ЛСД, и электромагнитных сил, действующих на обмотку ротора, отличающиеся учетом конечных размеров обмоток и отсутствия ферромагнитопроводов; V,2 Разработаны применительно к ЛСД метод искусственной периодизации и методики интегрального учета влияния конечной ширины и толщины обмотки статора на магнитное поле и связанные с ним показатели ЛСД; V.3. Предложены аналитические методики расчета рабочих характеристик и векторные диаграммы ЛСД, обеспечивающие выбор главных размеров и выполнение электромагнитных расчетов с оптимизацией параметров; V.4- Разработаны методики расчета высших пространственных гармоник магнитного поля, создаваемого статорной обмоткой, и выполнены расчетные оценки влияния гармоник на показатели ЛСД; V.5, Разработан макет ЛСД, позволивший экспериментально подтвердить достоверность разработанных методик и возможность выполнения расчета магнитного поля ЛСД в двухмерном и трехмерном приближениях с точностью. Сформулированы рекомендации по выбору электромагнитных параметров, размеров и энергетических показателей ЛСД для режимов работы при заданных значениях напряжения и коэффициента мощности. Разработанные в диссертации математический аппарат, методики решения уравнений в трехмерной постановке и программное обеспечение могут быть использованы для получения расчетных формул и методик расчета не только односторонних ЛСД, но и двухсторонних и комбинированных ЛСД,
Решение ряда частных вопросов, например, по нагреву обмоток, дополнительным потерям, экранированию, передаче усилий и дрм существенным образом зависит от конструктивных особенностей двигателей, применяемых материалов и различных специальных требований, предъявляемых к двигателю. Перечисленные вопросы должны быть предметом специальных исследований.
Расчет при заданном коэффициенте мощности
В Японии, на полигоне Миядзаки, расположенном на восточном побережье о-ва Кюсю, проходил испытания трехвагонный поезд MLU-001 длиной 28.8 м. Вместимость каждого вагона-32 пассажира, масса -10 т [101]. На каждом вагоне установлено по восемь сверхпроводящих катушек, общих для ЛСД и ЭДП. Система ЭДП и направления движения поддерживает зазор между вагонами и путевой структурой порядка 100 мм. Охлаждение катушек осуществляется по замкнутому циклу: с общим ожижителем гелия в головном вагоне и с индивидуальными ожижителями на каждый криостат в остальных вагонах [101, 108, 110, 111,120,121].
На выставке ЕХРО-85 в Цукубе демонстрировался экипаж HSST-03 с комбинированной системой ЭМП и ЛАД [103, 118]. Цельносварной алюминиевый кузов экипажа массой 12 т и вместимостью 47 человек опирался на шесть модулей подвеса, тяги и направления движения. Каждый модуль содержал один статор ЛАД и четыре электромагнита.
Вблизи г. Оцуки (Япония) 3 апреля 1997 г. открыт участок длиной 18,4 км - первая очередь полигона, полная длина которого 42,8 км, для испытания поезда на магнитном подвесе с использованием сверхпроводимости [74]. Основная цель проекта - разработка транспортной системы нового вида для массовых высокоскоростных пассажирских перевозок, в частности между Токио и Осакой, где время в пути не должно превышать один час.
В 1978 г. в ФРГ был организован консорциум семи ведущих фирм для разработки транспортной системы Transrapid с ЭМП и ЛСД без использования сверхпроводимости [67, 102]. На полигоне в долине реки Эмс [67, 123] проходил испытания двухвагонный экипаж TR-06 длиной 54.2 м и массой 102.4 т, рассчитанный на перевозку 192 пассажиров. Испытательный путь длиной 31.5 км содержал прямолинейный участок и два кольцевых участка с радиусами 1690 и 1000 м. Использовалась комбинированная система ЭМП и ЛСД с длинным ферромагнитным статором. Проведенные испытания TR-06 показали высокую плавность хода и низкий уровень шума [102]- Удельное энергопотребление в зависимости от скорости движения составляло 0.2 - 0.4 кВт/пас, Это примерно соответствует потреблению энергии на легковых автомобилях. С 1976 г. фирма Thyssen Henschel совместно с Техническим университетом в Брауншвейге разрабатывает городскую транспортную систему M-Bahn. В качестве тягового привода используется ЛСД с длинным ферромагнитным статором[98, 99]. Для возбуждения ЛСД применяются постоянные магниты, которые одновременно поднимают вагон. Величина зазора фиксируется роликами. Во Франции в 1981 г. открыто движение по двухпутной линии Париж-Лион [67], строится линия Париж-юго-восток. Реконструируются существующие железнодорожные линии и строятся новые высокоскоростные магистрали в Германии и Англии [7, 19]. Ведутся исследования по созданию высокоскоростных железных дорог в США и Канаде [58]. Проведенные в Англии исследования ЭМП и ЛСД легли в основу проекта транспортной линии PMG-Shuttle, соединяющей аэропорт с железнодорожными вокзалами в Бирмингеме [90» 92 - 95,105, 112]- На стальных шпалах крепятся прямоугольные шихтованные шины подвеса и направления движения, комбинированная сталеалюминевая реактивная шина ЛАД, два контактных рельса системы токоподвода и индукционный кабель для передачи сигналов на движущийся поезд. Каждый из вагонов двухвагонного поезда имеет массу 4,8 т и рассчитан на перевозку до 40 пассажиров с максимальной скоростью 48 км/ч. Под вагонами установлены статоры ЛАД и по четыре электромагнита с камедой стороны. В Китае при помощи Компании Thyssen Krypp AG (Германия) планируется построить линию на магнитном подвесе протяженностью 32 км, соединяющую центральную часть города Шанхай и аэропорт в районе Пудонг. В дальнейшем планируется сооружение линии на магнитном подвесе Шанхай-Пекин длиной 1300 км [53]. В таблице 1.1 приведены сведения о созданных системах ВСНТ с различными видами подвеса [7,67, 81]. Обнаружение в 1986г явления высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) с температурой сверхпроводящего перехода выше температуры жидкого азота (77 К) и интенсивные фундаментальные и прикладные исследования позволяют определить наиболее перспективные области промышленного применения ВТСП материалов. Кроме "слаботочных" устройств (микроэлектроника) прогнозируется достаточно широкий сектор рынка электротехнических.
