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高速磁浮列车波动特性及其抑制技术研究

潘孟春  
【摘要】: 电磁型高速磁浮列车具有无接触、速度高、启动快、能耗低、环境影响小等优点,在铁路运输领域拥有广阔的发展应用前景。本文以国家863项目“车辆电磁场研究”为依托,对电磁型高速磁浮列车的波动特性及其抑制技术进行了理论、仿真和实验研究,为高速磁浮列车国产化研究提供了强有力的技术支撑。论文主要工作和创新点如下: 第一,高速磁浮列车电磁力波动特性研究。基于电磁场基本理论,借鉴交流电机电枢齿壁上切向力的求解方法,建立了电磁力的解析模型;基于ANSYS有限元分析软件,采用“空间离散模型”解决了非连续介质运动情形下的有限元分析问题,得到了高速磁浮列车气隙磁场的分布情况、电磁力的变化规律和波动规律;理论分析结果与仿真结果误差在10%以内,与仿真结果实现了较好的相互验证,解析模型精度较以往模型显著提高;应用MAXWELL验证了采用“空间离散模型”处理非连续介质运动情形下求解的有效性。 第二,电磁力波动对列车动力学性能影响研究。首先将高速磁浮列车视为刚体从解析角度研究了电磁力幅度变化对高速磁浮列车动力学性能的影响,采用曲线拟合和分段近似方法解决了非线性运动模型的求解问题,建立了列车在不同运行状态下的速度和加速度表达式,得到了电磁力波动对列车速度、加速度的影响曲线;然后将对象视为弹性体从有限元分析角度重点研究了频率响应,建立了高速磁浮列车结构动力学分析三维有限元模型,依据第二章得到的高速磁浮列车波动特征构造有限元模型的激励,得到了相应的幅频响应特性,从频谱分析中发现不仅推力波动影响列车的动力学性能,而且存在共振频率点。所获得结果不仅有力地表明了电磁力波动的危害性,也为列车的最优运行控制提供了理论依据。 第三,基于结构优化的波动抑制技术研究。采用分数槽理论分析了定子、动子不等极距设计对电磁力波动的影响机理和和特定设计的效果,提出了利用等效极对数来设计动子极距的方法;兼顾波动抑制和发电的需求,建立了一套结构程序化设计方法,通过使所定义的目标函数取值最小来实现最优设计,并对悬浮电磁铁结构进行了优化设计,结果表明推力波动降低显著。所提出的基于等效极对数选取动子极距的方法和所建立的结构程序化优化设计方法有效地减小了高速磁浮列车电磁力的波动,为高速磁浮列车的结构优化设计提供了一种方法。 第四,基于定子电流谐波消除的波动抑制技术研究。分析了磁场谐波的产生机理及其对高速磁浮列车电磁力波动的影响,在此基础上分析了选择谐波消除技术在高速磁浮列车三电平逆变器中的应用方法,从理论上证明了三电平逆变器采用选择谐波消除技术存在的局限性,分析了开关角误差对谐波消除效果的影响。结合五电平逆变器,提出了利用开关角鲁棒系数来选择开关角的方法,算例分析表明该方法达到了预期消除谐波的效果,从而减小了推力的波动。所做研究为逆变器的控制方法设计提供了参考依据。 第五,实验研究及磁浮列车波动特性的评估。建立了高速磁浮列车的气隙磁场测量系统和电磁力软测量模型,对国防科技大学磁浮实验中心磁浮系统的气隙磁场进行了全方位测量,测量结果验证了理论和仿真分析的正确性;结合磁浮列车动力学性能的评价指标,分析了论文提出的高速磁浮列车推力波动抑制措施对列车动力学性能的改善效果,结果表明论文所作研究有效地抑制了高速磁浮列车的波动。


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