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无铁芯高温超导感应悬浮电机的电磁机理研究

秦伟  
【摘要】:摘要:磁悬浮技术由于其运作无机械接触的优势,具有噪音小、易维护、可靠性高的优点,在交通运输、特种电机、机器人、金属加工等很多场合得到了应用。 本文提出了一种新型的磁悬浮方案—无铁芯高温超导感应悬浮电机,采用电动式磁悬浮原理,通过在初级绕组中通入交变电流,在悬浮气隙中产生运动的磁场,与其在次级导体板中感应出涡流相互作用产生悬浮力和水平力。这一磁悬浮方案结构稳定、控制简单,能够实现稳定的静止磁悬浮和运行导向,有较为广阔的应用范围。但是,该类电机特有的初级次级均无铁心结构,无法照搬传统电机的研究方法与经验,其研究具有开拓性和前沿性。为能够准确分析这一全新的磁悬浮电机,本文提出了一整套分析方法,对该电机的电磁场、力特性、电感参数进行了分析。 利用电磁场理论分析了电动式磁悬浮电机内部的电磁关系和工作原理。对永磁电动式磁悬浮和旋转磁场电动式磁悬浮电机进行了定量分析,得到了磁场解析模型。研究了结构参数对电动式磁悬浮性能的影响。并比较了几种电动式磁悬浮的优缺点,研究结果表明旋转磁场电动式磁悬浮较永磁电动式磁悬浮有一定的优势。 针对高温超导线圈的物理特性,考虑到初级绕组无铁芯,磁场无“路”可走,只能通过空气闭合,漏磁较大,在对永磁HALBACH阵列研究的基础上,提出了无铁芯的电磁HALBACH阵列,分析表明无铁芯的电磁HALBACH阵列也具有永磁HALBACH阵列同样的特性。在此基础上,提出了一种新型的可以产生运动磁场的高温超导电磁HALBACH阵列。 应用傅里叶分解的磁场分析方法,对运动磁场电磁HALBACH阵列磁场的基波和谐波分量进行了分析,该方法可分析包括绕组电流层在内的所有区域,便于磁场谐波分析,利用该方法得到了磁场解析模型。研究了电磁HALBACH阵列的绕组排列方式对气隙磁场的影响,研究结果表明本文提出的运动磁场电磁HALBACH阵列具有很好的磁场特性。 根据电机的结构特点,在对电磁场模型进行简化的基础上,采用解析法得到了高温超导电磁HALBACH感应悬浮电机的电磁模型。对不同初级结构的无铁芯电机产生的悬浮力进行了比较,并将有限元法与解析法得到的悬浮力结果进行了对比。最后就高温超导无铁芯感应悬浮电机的电路模型参数进行了分析计算。 针对高温超导电磁HALBACH感应悬浮电机的磁路在横向和纵向的开断,导致气隙磁场在横向和纵向均受到影响的问题,基于磁场解析模型,建立了新的考虑横向和纵向边端效应的模型,该模型同时考虑了横向,纵向边端效应,气隙和次级肌肤效应对电机的影响,得到了考虑边端效应的悬浮力电感参数等特性。 设计制作了铜绕组样机,并对样机参数和力特性进行了测试。样机悬浮力和参数的实验结果验证了本文提出的解析计算模型是准确的。 总之,通过对无铁芯高温超导感应悬浮电机的磁路、电路及性能特性进行分析研究,建立了一套分析高温超导无铁芯感应悬浮应电机的理论和方法,并通过铜绕组试制样机的制造和试验,进一步验证了这些理论和方法的准确性,这对无铁芯高温超导感应悬浮电机的设计和应用有很好的参考价值。


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