- 頭條浙江大學章九鼎、盧琴芬：長定子直線同步電機齒槽效應計算與影響2021-05-20 作者：章九鼎 盧琴芬 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語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構，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。
團隊介紹
盧琴芬，教授，博士生導師。IET Fellow，IEEE高級會員，中國電工技術學會直線電機專業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、企業項目10多項。獲省部級獎勵5項、浙江大學優質教學成果獎二等獎、唐立新教學名師獎、浙江大學優質獎教金二等獎、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、電工技術學報等國際、國內有關刊物上發表各類學術論文200余篇，授權發明專利27項（3項已經轉讓）。
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構，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生感應電壓，給繞組絕緣產生壓力；另一方面在勵磁鐵心中產生鐵耗，引起勵磁磁極溫升升高。
主要內容
通過氣隙磁密的解析結果與有限元結果的對比可以發現，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。在該區域，解析解與有限元非常接近。
圖1
定子齒槽效應產生的氣隙磁場諧波，最終會產生6 倍次推力波動和懸浮力波動，這可以從有限元結果中看出，如圖2。
結果顯示，次數為6、12、18等6倍次諧波分量遠大于其他次數的諧波分量，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的長定子LSM同時驅動，如果兩側齒槽相對，6 倍次推力波動就會產生180°的相位差，從而有效減小車輛的推力波動。
圖2
定子齒槽效應產生的氣隙磁場諧波，也會在勵磁繞組中產生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。可以發現，感應電壓都由6倍次諧波產生，主要集中在6次、12次與18次。
圖3
定子齒槽效應產生的氣隙磁場諧波，也會在勵磁鐵心中產生鐵耗。勵磁繞組在磁浮車輛運行中連續工作，如果溫升過高，可能會導致勵磁絕緣損壞，危害系統正常運行。由圖4中可見，勵磁鐵心損耗隨速度的增加而增加，利用二次函數可以較好擬合增長曲線。
圖4
結論
（1）齒槽效應在推力與懸浮力中產生6倍次波動，在磁懸浮列車中通過軌道兩側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.
