电动式高速磁浮系统直线发电机的设计与阻尼特性研究

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铁路运输以运输量大、成本低、方便快捷等因素已成为世界各国道路运输的主要方式,然而与飞机运输相比,铁路运输在速度方面的缺点同时也限制着其发展。磁悬浮概念的提出克服了轮轨系统摩擦这一限制,极大的提高了列车的运行速度。随着磁悬浮列车技术的不断发展,普通的接触式供电方式已经满足不了列车在超高速运行时的供电需求,而且接触式供电需要增设额外的供电线路,存在着维护、切换、摩擦等问题,同时接触式供电也限制着列车运行速度的提升。感应发电装置有着高效、安全、无噪音、维护方便等优点被应用在磁悬浮列车中,由于消除了与列车外部供电装置的物理连接,使列车运行速度可以得到大幅度提升。首先,本文介绍了课题的研究背景与直线电机在磁浮列车上的应用,然后再详细的分析了不同类型的磁悬浮列车发电系统的原理及差异,之后介绍了几种无线发电装置的原理,再对比其差异,最后选择直线发电机作为磁浮列车的车载供电方式。然后,本论文以日本EDS式磁悬浮列车为设计基础,利用空间谐波法对超导线圈产生的电磁场进行分析,将悬浮线圈所处位置的磁场在悬浮线圈所在的区域进行积分,求出交链的磁通量,之后再求解出悬浮线圈中的感应电动势,根据其电阻与电感,再计算出悬浮线圈中感应的电流。悬浮电流中基波电流与三次谐波电流分量占比最大,为简便计算,取这两部分电流产生的磁场进行分析,发现基波磁场与五次谐波磁场占比最大,又因基波磁场相对于运行的磁浮列车来说是静磁场,不能将其利用来发电,所以我们根据悬浮线圈五次谐波磁场特点来进行集电线圈的设计。再根据供电要求,深入分析集电线圈连接方式,设计出能够满足高速磁浮列车供电需求的直线电机的参数。最后,由于电动式超导磁悬浮系统自身固有阻尼较小,为了改善磁阻尼,本文提出了一种集电线圈的排布方式,通过改变集电线圈的布置并控制集电线圈中的零序电流,可以得到可控的电磁力,从而增加磁浮系统自身的阻尼力。本文主要分析零序电流对磁浮列车磁阻尼的影响,并计算列车产生横向偏移和悬浮高度发生变化等工况下集电线圈产生的磁阻尼,明确磁浮列车发生俯仰、偏航、侧滚时集电线圈对列车运行的影响。通过解析,可知在零序电流为100A时,列车在悬浮方向上的电磁力可达4000N左右,在水平方向上的电磁力可达2000N左右,当列车处于任何非正常运行姿态时,零序电流型集电线圈都可提供稳定的电磁力来增加列车运行时的稳定性。
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