常导型高速磁浮列车电磁系统的研究

【摘要】： 随着国民经济的发展,交通运输日益紧张并成为制约经济发展的一个重要因素,缓解并改善交通状况是当前迫切需要解决的问题。作为新型的陆上交通工具,磁浮列车依靠电磁力将列车悬浮于轨道上,用直线电机推进,它没有车轮及相应的传动机构,与地面无机械接触,可以高速、平稳地运行,并且运营维护费用低,无环境污染,具有良好的发展前景。 常导型高速磁浮列车采用长定子直线同步电机进行驱动。悬浮电磁铁作为直线同步电机的次级,在绕组电流的激励下,与长定子轨道相互作用,同时具备悬浮、推进、发电等多项功能。列车中气隙磁场的分布和变化规律对于列车的悬浮、推动、导向和车载发电都有很大的影响。常导型高速磁浮列车电磁系统的研究,对于磁浮列车的设计和控制有着重要的指导意义,可以为高速磁浮列车技术的国产化研究提供有力的保障。 本文以国家863项目“车辆电磁场研究”为背景,对常导型高速磁浮列车的电磁系统进行了解析分析与仿真分析,设计了高速磁浮列车三维磁场自动测量系统,应用该系统对常导型高速磁浮列车实验系统的气隙磁场进行了高精度测量,并对列车运行情况下电磁力的软测量技术进行了研究。主要内容和创新点包括: 一、建立了常导型高速磁浮列车的电磁模型。采用各向异性介质近似模拟齿槽区域,并引入定子和转子等效电流层的概念,建立了直线同步电机的磁场分层模型,在此基础上得到了气隙磁场的组成以及悬浮力和推力的解析表达式,为气隙磁场的分析和测量以及列车运动情况下电磁力软测量模型的建立提供了理论指导。 二、提出了对磁浮列车的运动模型进行有限元分析的“空间离散”和“滑动平面”方法。磁浮列车在运行时,转子和定子的相对位置不断发生变化,给有限元建模和分析带来困难。应用“空间离散”和“滑动平面”方法,可以解决列车运动情况下有限元模型的建立和分析上的困难,使分析过程得到简化,并减少网格拓扑结构变化所带来的离散误差,使磁场的分析结果更加准确和稳定。 三、提出了基于霍尔元件的电压比磁场测量法。当温度变化时,霍尔元件的内阻会发生变化,从而导致测量电路中的电流出现波动,给磁感应强度的测量结果带来误差。电压比测量法采用计算机控制模拟开关轮流采集霍尔元件的输出电压和串联在同一回路上精密电阻两端的电压降,通过两者的比值来求得磁场的测量结果,从而消除了激励电流变化所带来的测量误差,提高了磁场测量精度。 四、提出了基于霍尔元件的三维磁敏传感器的设计方法。为了降低传感器运动控制系统的复杂性,提高测量速度,将六个性能参数相同的霍尔元件粘贴在一个小立方体的表面