團隊介紹

盧琴芬，教授，博士生導師。IET Fellow，IEEE高級會員，中國電工技術(shù)學會直線電機專業(yè)委員會秘書長兼副主任委員，浙江省杰出青年基金獲得者，入選浙江省151人才工程第二層次培養(yǎng)人員。

1999年來主持國家自然科學基金項目5項、國家十一五重大科技支撐計劃子項目1項、863國家高科技發(fā)展計劃子項目1項、浙江省自然基金杰出青年基金1項及重點項目1項，以及等其他國家、省部級、企業(yè)項目10多項。獲省部級獎勵5項、浙江大學優(yōu)質(zhì)教學成果獎二等獎、唐立新教學名師獎、浙江大學優(yōu)質(zhì)獎教金二等獎、校級先進工作者等。

在IEEE Transactions on Industrial Electronics/Industry Applications /Energy Conversions/Magnetics、中國電機工程學報、電工技術(shù)學報等國際、國內(nèi)有關(guān)刊物上發(fā)表各類學術(shù)論文200余篇，授權(quán)發(fā)明專利27項（3項已經(jīng)轉(zhuǎn)讓）。

本文采用解析算法計算常導高速磁懸浮列車長定子直線同步電機（LSM）的氣隙磁場，計算模型考慮了長定子的齒槽結(jié)構(gòu)，顯示了齒槽效應對電機性能的影響。基于有限元模型計算不同運行速度下齒槽效應對力特性、勵磁繞組感應電動勢與鐵心損耗的影響。

研究背景

磁懸浮列車作為一種新型的無接觸地面軌道交通運輸工具，其牽引依靠直線電機，根據(jù)工作原理可分為中低速磁懸浮列車的直線感應電機（Linear Induction Motor, LIM）和高速磁懸浮列車的直線同步電機（Linear Synchronous Motor, LSM）兩種。對于LSM，長定子表面均勻開設用于放置電樞繞組的開口槽，具有較大的齒槽效應。

齒槽效應不僅會引起推力與懸浮力的波動，而且還會影響動子勵磁磁極，一方面在勵磁繞組中產(chǎn)生感應電壓，給繞組絕緣產(chǎn)生壓力；另一方面在勵磁鐵心中產(chǎn)生鐵耗，引起勵磁磁極溫升升高。

主要內(nèi)容

通過氣隙磁密的解析結(jié)果與有限元結(jié)果的對比可以發(fā)現(xiàn)，在磁極齒下的空氣隙，即圖1中虛線圓圈標注的部位，此時定子槽部與磁極齒部相對，可以明顯看到齒槽效應導致氣隙磁密減小、諧波分量增大。在該區(qū)域，解析解與有限元非常接近。

圖1

定子齒槽效應產(chǎn)生的氣隙磁場諧波，最終會產(chǎn)生6 倍次推力波動和懸浮力波動，這可以從有限元結(jié)果中看出，如圖2。

結(jié)果顯示，次數(shù)為6、12、18等6倍次諧波分量遠大于其他次數(shù)的諧波分量，占所有諧波分量的96%，說明推力波動主要是由齒槽效應引起的。磁浮列車由左右兩側(cè)的長定子LSM同時驅(qū)動，如果兩側(cè)齒槽相對，6 倍次推力波動就會產(chǎn)生180°的相位差，從而有效減小車輛的推力波動。

圖2

定子齒槽效應產(chǎn)生的氣隙磁場諧波，也會在勵磁繞組中產(chǎn)生6倍次的感應電動勢。不同速度下，求得勵磁繞組感應電壓的頻譜圖，如圖3。可以發(fā)現(xiàn)，感應電壓都由6倍次諧波產(chǎn)生，主要集中在6次、12次與18次。

圖3

定子齒槽效應產(chǎn)生的氣隙磁場諧波，也會在勵磁鐵心中產(chǎn)生鐵耗。勵磁繞組在磁浮車輛運行中連續(xù)工作，如果溫升過高，可能會導致勵磁絕緣損壞，危害系統(tǒng)正常運行。由圖4中可見，勵磁鐵心損耗隨速度的增加而增加，利用二次函數(shù)可以較好擬合增長曲線。

圖4

結(jié)論

（1）齒槽效應在推力與懸浮力中產(chǎn)生6倍次波動，在磁懸浮列車中通過軌道兩側(cè)長定子鐵心的齒槽錯位，就能夠有效削弱齒槽效應的影響。

（2）齒槽效應在勵磁繞組中的感應電壓隨著速度增加線性增大，所以超高速運行下會對勵磁繞組的絕緣產(chǎn)生很大的影響；

（3）齒槽效應在勵磁鐵心中的損耗隨著速度增大呈平方增大，由于走行風的散熱能力基本與速度的0.8次方成正比，所以超高速運行下勵磁磁極的溫升是必須要研究的問題。

引用本文

章九鼎, 盧琴芬. 長定子直線同步電機齒槽效應的計算與影響[J]. 電工技術(shù)學報, 2021, 36(5): 964-972. Zhang Jiuding, Lu Qinfen. Calculation and Influences of Cogging Effects in Long-Stator Linear Synchronous Motor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(5): 964-972.