用于磁悬浮列车的长定子同步直线电动机电磁设计
用于磁悬浮列车的长定子同步直线电动机电磁设计
国外的交通研究报告指出,距离约为800 km 的大城市之间的中远程运输,对于汽车和火
车来说距离太远,对飞机又显得太近,从成本上来说很不经济. 然而,这一距离对于磁悬浮列
车来说却非常适合,磁悬浮列车以高达500 km/ h 的运行速度可以填补汽车、火车与飞机之
间的交通运输空挡,还能减轻汽车和飞机对环境的污染[ 1 ]. 因此磁悬浮列车将成为现有交
通运输系统的有力补充,并使工业国家存在的高速长途运输问题有望得以解决.
高速磁悬浮铁道运输有EMS 与EDS 两大系统. EMS（机车车辆侧驱动） 是一种吸引式电
磁悬浮系统, EDS（轨道侧驱动） 是一种排斥式电动悬浮系统. 德国磁悬浮列车的发展经历
了从长定子同步直线电动机的EDS , 到短定子异步直线电动机的EMS , 再到长定子同步直线
电动机的 EMS 的过程,并最终确定了长定子EMS 的发展路线.
德国高速磁悬浮列车以其无接触式电磁悬浮、驱动和导向系统为铁路交通开辟了新的前
景. 磁悬浮列车的速度高达500 km/ h , 尽管运行速度很高但能量消耗却不大,运行时没有
摩擦损耗,舒适性好,对环境的影响很小[ 2 ]. 另外其悬浮和导向系统环绕导轨（即车辆从外
面包着路面）,且悬浮、导向和制动功能被设计成既是冗余的又是各不相同的,因此运行时非
常安全.
德国磁悬浮列车经过长达数10 年的发展,技术已趋于成熟,目前几个国家如德国、美国
和中国等正考虑将长定子磁悬浮列车投入使用. 在美国,拉斯维加斯已决定在该城与洛杉矶
之间的交通线上使用德国的高速磁悬浮列车;德国针对磁悬浮列车在国内的应用,也展开了大
规模的调查, 莱茵走廊/ 美茵—莱茵 / 鲁尔以及北德和南德地区均属考虑之列;中国
上海正在建造磁悬浮铁路,使用德国高速磁悬浮列车TR -08 技术,力争成为世界上第一条实
际应用的磁悬浮铁路.
1 长定子同步直线电动机
1. 1 工作原理
德国TR 型磁悬浮列车无接触式的牵引技术要求采用长定子同步直线电机驱动. 电机定
子铁心由015 mm 厚的电工钢片叠压而成,被固定在导轨的下部;定子三相绕组由防护电缆组
成,预先成形,并由敷线车将其嵌放在导轨两侧的定子槽中. 定子三相绕组通电后,产生一个
移行磁场,与布置在车辆上的悬浮（励磁） 磁铁相互作用,实现牵引. 其工作原理.
图1 长定子同步直线电机的工作原理图
为获得恒定的悬浮力,德国TR 型磁悬浮列车采用吸引式电磁悬浮原理,由同步电机的定
子铁心与车辆上的悬浮磁铁之间形成气隙磁通产生悬浮力. 其悬浮和牵引系统合二为一,这
也是德国TR 型磁悬浮列车的优势所在. 为满足列车高速运行的要求, TR 型磁悬浮列车采用
独立的导向系统,线路两侧垂直地布置有钢板（导向和制动轨）,车辆两侧相应地布置有导向
磁铁,它与线路的钢板形成闭合回路. 电磁铁线圈通电后,可产生足够的横向导向力,但独立
导向系统增加了车的重量和线路成本[ 3 ].
因线路很长,为避免能量损失,将长定子线路分成独立区段,只在车辆所在区段接通电源,
由变电站向安装在线路两侧的定子三相绕组供电. 改变三相交流电流频率,可从静止到运行
速度范围内连续调整牵引力.
1. 2 电磁设计特点
长定子同步直线电动机与一般旋转电机相比,设计计算大致相同,需要经过磁路计算、参
数计算、额定励磁磁动势计算、励磁数据计算、损耗和效率计算几个部分[4 ]. 所不同的是
设计长定子同步直线电动机时,要考虑长定子直线电机的自身特点、以及与一般旋转电机的不
同之处,主要表现为:
（1） 旋转电机转子受离心力作用,直线电机转子不受离心力. （2） 旋转电机径向单边磁拉力互相抵消,只剩下切向力,产生电磁转矩;直线电机单边磁
拉力不抵消, 正好利用它作为悬浮力.
（3） 直线电机具有边缘效应.
（4） 一般旋转电机定子绕组长期工作,绕组内一直流有电流;而长定子直线电机定子绕
组是短时间通电,短时工作.
综上所述,可见长定子同步直线电动机有其自身的电磁设计特点,现归纳如下:
（1） 电机极数多, 取每极每相槽数q = 1 ;为便于布置绕组, 长定子采用单层绕组, 用
电缆线直接埋入.
（2） 长定子绕组短时工作, 定子绕组电流密度j1 可选得大一些.
（3） 由于每极每相槽数q = 1 且采用均匀气隙, 定子齿谐波磁动势较大, 利用其产生
的一阶和二阶齿谐波磁场与装在转子励磁磁极表面上的直线发电机绕组相互作用, 在直线发
电机绕组中感应出交流电, 输出电功率. 当列车运行速度超过100 km/ h 时, 车辆所必需的
励磁磁能、空调、照明装置以及辅助装置所必需的能源均由直线发电机提供.
（4） 转子不受离心力的影响, 而且气隙均匀, 因此主极不再需要模压的极靴.
（5） 利用单边磁拉力作为悬浮力, 因此直线电机除计算推力外, 还要计算悬浮力.
（ 6） 边缘效应要用有限元法计算, 对直轴同步电抗x d 、交轴同步电抗x q 和直轴
瞬态电抗x d ′等参数及推力要进行适当修正.
（7）旋转同步电机的集肤效应系数KF 的计算公式不能用于直线电机, 频率f > 30 Hz
时,直线电机随频率变化的系数取 KF = 1 +0.004（f -30）. 另外,因结构不同,旋转同步电
机的机械损耗和温升的计算公式均不适用于直线电机,需采用新的计算公式.
（8）悬浮和牵引系统合二为一,可根据列车重量确定电机磁路所需励磁.先由车重确定悬
浮力的大小,然后计算出气隙磁密和气隙磁通,即可确定磁路所需励磁磁动势.
（9）列车重量在运行时可近似看作常数,因此悬浮力及产生悬浮力的气隙磁密基本恒定,
运行时调节励磁电流以保持气隙磁密不变,可见推力大小与定子绕组电流成正比.
（10）由速度公式v=2 fτ可知,频率增加时,速度增大,运行阻力必定增大,因此所需
推力及电流须相应增大,即频率最大时运行阻力最大,相应的推力及电流的稳态值也将为最
大.
图2 主程序框图
（12）运行时保持气隙磁通不变,则电机磁路各部分的磁通密度也不变,因此磁路所需励
磁磁动势一定而与频率无关.
（13）电枢反应发生在列车所在位置,电枢反应电抗及电枢反应磁动势计算与一般旋转电
机相同.无列车处,定子绕组只产生漏磁通和漏电动势.
（14）由于铁耗近似与频率的1.3 次方成正比,还与气隙磁密的平方成正比,而列车重量
一定时气隙磁密不变,因此铁耗只随频率变化,频率最大时铁耗最大;又由于铜耗与电流的平
方成正比,而频率最大时电流稳态值最大,因此频率最大时稳态运行时的铜耗也最大.
1.3 电磁设计程序框图在长定子同步直线电动机电磁设计特点的基础上,编制了其电
磁设计程序,主程序框图.
2 计算例题
用本程序对长定子同步直线电动机进行了计算,算例尺寸. 列车由两节车辆组成,总长
54. 2 m , 列车总重 108. 4 t , 最大速度400 km/ h , 运行阻力60. 4 kN （400 km/ h 时）.
电动机Y接法,最大相电压 4 500 V , 最大相电流1 200 A , 供电频率0～215 Hz , 主极极
对数160 , 极距258 mm , 气隙10 mm.
图3 长定子同步直线电动机算例尺寸 计算得到的参数值为: 75 ℃ 、215 Hz 时,300 m 供电区段定子每相电阻为0. 283 8
Ω ,定子漏抗为21021 8Ω , 直轴同步电抗为1. 195 8Ω ,交轴同步电抗
为0. 943 3Ω ,励磁绕组电阻为0. 815 5Ω ,励磁绕组漏抗为 0. 172 9 Ω.
其它主要计算数据为:气隙磁位降为11 967 A , 空载所需励磁磁动势为12 630 A , 额定负
载时所需励磁磁动势为1 2280 A. 空载时励磁绕组电流密度为1. 79 A/mm2,额定负载时励磁
绕组电流密度为1. 74 A/ mm2 ,励磁装置额定电压为 295 V ,额定电流为307 A ,额定容量
为90 kW.
300 m 供电区段内,当列车以400 km/ h 的速度恒速运行时,电动机额定相电压为4441 V ,
额定相电流为758 A ,总损耗为647 W ,额定效率为91 %.
3 结束语
介绍了长定子同步直线电动机的工作原理,指出了其电磁设计特点并编制了电磁设计程
序,为长定子同步直线电动机的计算提供了依据.
磁悬浮列车的工作原理及技术经济特性
磁悬浮列车的工作原理及技术经济特性
摘要：直线电机已末尾在磁悬浮铁路、城市轨道交通中运用。引见了直线电机的分类、3种典型的磁悬浮铁路和直线电机驱动的轮轨交通，对上述交通方式的技术经济特征停止了对比，总结了上述交通方式的适用范围。
关键词：直线电机；磁悬浮；城市轨道交通；适用范围
The Modes and features of the Transit Systems Driven by Linear Motor
WEI Qingchao1, FENG Yawei1, SHI Hong1,2
(1. School of Civil Engineering and Architecture, Beijing Jiaotong University
2. Beijing Urban Engineering Design & Research Institute.)
Abstract: Linear motor has been successfully used in Meglev transit system and rapid
rail transit system for years. The transit systems driven by linear motor are
classified as Maglev system and wheel-rail system. The typical Maglev system
includes Japanese MLX system, German TransRapid system and Japanese HSST system.
The technical and economic features of these systems are compared and the suitable
application fields of these systems are summarized in the paper.
磁悬浮列车原理
磁悬浮列车原理
磁悬浮列车综述
你一定听说过磁悬浮列车吧，最近它的上镜率可是居高不下，大家都在密切地关注着它的发展态势。我们一直都在盼望着火车的提速，可经过几轮的努
力，却总是达不到心中理想的标准，如果你家住在西安，距北京1000多公里，
原先回家要17个小时，现在要14个小时，唉，只减少了区区3个小时，还要
有难熬的一宿呀！可是你知道吗?普通磁悬浮列车的时速就可以达到500公里/小时，那么，回家就只需要不到3个小时，跟飞机差不多了！
其实，在本世纪五、六十年代，铁路曾经被认为是一个夕阳运输产业。因
为面对航空、高速公路等运输对手的强劲挑战，它蜗牛般的爬行速度，已越来
越不适应现代工业社会物流和人流的快速流动需要了。但七十年代以来，特别是近几年，随着铁路高速化成为世界的热点和重点，铁路重新赢回了它在各国
交通运输格局中举足轻重的地位。法国、日本、俄国、美国等国家列车时速由
200公里向300公里飞速发展。据1995年举行的国际铁路会议预测，到本世纪
末，德国、日本、法国等国家的高速铁路运营时速将达到360公里。
但要使列车在如此高的速度下持续行驶，传统的车轮加钢轨组成的系统，已经无能为力了。这是因为传统的轮轨粘着式铁路，是利用车轮与钢轨之间的
粘着力使列车前进的。它的粘着系数随列车速度的增加而减小，走行阻力却随
列车速度的增加而增加，当车速增至粘着系数曲线和走行阻力曲线的交点时，就达到了极限。据科研人员推算，普通轮轨列车最大时速为350-400公里左右。
如果考虑到噪音、震动、车轮和钢轨磨损等因素，实际速度不可能达到最大时
速。所以，欧洲、日本现在正运行的高速列车，在速度上已没有多大潜力。要
进一步提高速度，必须转向新的技术，这就是超常规的列车-磁悬浮列车。
尽管我们还将磁悬浮列车的轨道称为"铁路"，但这两个字已经不够贴切了。就拿铁轨来说，实际上它已不复存在。轨道只剩下一条，而且也不能称其为"轨
道"了，因为轮子并没有从上面滚过。事实上，磁悬浮列车连轮子也没有了。"
磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮
佳木斯大学
Jiamusi University
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
题目：超导磁悬浮列车
班级：工业设计一班
组长：何飘
组员：宋绍华 罗雅文 黄喆达 刘超
结课论文 超导磁悬浮列车
磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的磁悬浮高速列车系统。应用准确的定义来说，磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触，再利用线性电机驱动列车运行。根据吸引力和排斥力的基本原理，国际上磁悬浮列车有两个发展方向。一个是以德国为代表的常规磁铁吸引式悬浮系统－－EMS系统，利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的基本原理，把列车吸引上来，悬空运行，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400-500公里，适合于城市间的长距离快速运输；另一个是以日本的为代表的排斥式悬浮系统－－EDS系统，它使用超导的磁悬浮原理，使车轮和钢轨之间产生排斥力，使列车悬空运行，这种磁悬浮列车的悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上。这两个国家都坚定地认为自己国家的系统是最好的，都在把各自的技术推向实用化阶段。估计到下一个世纪，这两种技术路线将依然并存。
自1825年世界上第一条标准轨铁路出现以来,轮轨火车一直是人们出行的交通工具.然而,随着火车速度的提高,轮子和钢轨之间产生的猛烈冲击引起列车的强烈震动,发出很强的噪音,从而使乘客感到不舒服.由于列车行驶速度愈高,阻力就愈大.所以,当火车行驶速度超过每小时300公里时,就很难再提速了.
物理八年级人教新课标磁悬浮列车资料
磁悬浮列车工作原理（图文）
(2002-7-31)
自1825年世界上第一条标准轨铁路出现以来，轮轨火车一直是人们出行的交通工具。然而，随着火车速度的提高，轮子和钢轨之间产生的猛烈冲击引起列车的强烈震动，发出很强的噪音，从而使乘客感到不舒服。由于列车行驶速度愈高，阻力就愈大。所以，当火车行驶速度超过每小时300公里时，就很难再提速了。
如果能够使火车从铁轨上浮起来，消除了火车车轮与铁轨之间的摩擦，就能大幅度地提高火车的速度。但如何使火车从铁轨上浮起来呢？科学家想到了两种解决方法：一种是气浮法，即使火车向铁轨地面大量喷气而利用其反作用力把火车浮起；另一种是磁浮法，即利用两个同名磁极之间的磁斥力或两个异名磁极之间磁吸力使火车从铁轨上浮起来。在陆地上使用气浮法不但会激扬起大量尘土，而且会产生很大的噪音，会对环境造成很大的污染，因而不宜采用。这就使磁悬浮火车成为研究和试验的的主要方法。 列车头部的电磁体N极被安装在靠前一点的轨道上的电磁体S极所吸引，同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体N极所排斥。列车前进时，线圈里流动的电流方向就反过来，即原来的S极变成N极，N极变成S极。循环交替，列车就向前奔驰。
当今，世界上的磁悬浮列车主要有两种“悬浮”形式，一种是推斥式；另一种为吸力式。推斥式是利用两个磁铁同极性相对而产生的排斥力，使列车悬浮起来。这种磁悬浮列车车厢的两侧，安装有磁场强大的超导电磁铁。车辆运行时，这种电磁铁的磁场切割轨道两侧安装的铝环，致使其中产生感应电流，同时产生一个同极性反磁场，并使车辆推离轨面在空中悬浮起来。但是，静止时，由于没有切割电势与电流，车辆不能产生悬浮，只能像飞机一样用轮子支撑车体。当车辆在直线电机的驱动下前进，速度达到80公里／小时以上时，车辆就悬浮起来了。吸力式是利用两个磁铁异性相吸的原理，将电磁铁置于轨道下方并固定在车体转向架上，两者之间产生一个强大的磁场，并相互吸引时，列车就能悬浮起来。这种吸力式磁悬浮列车无论是静止还是运动状态，都能保持稳定悬浮状态。这次，我国自行开发的中低速磁悬浮列车就属于这个类型。
磁悬浮列车原理初探
龙源期刊网
磁悬浮列车原理初探
作者：吴萃娴
来源：《管理观察》2009年第17期
摘要:本文简述了磁悬浮列车的基本原理。分别对EMS磁浮列车和EDS磁悬浮列车的悬浮系统及驱动系统比较分析,运用直线电机原理,对驱动系统中的线圈放置问题进行了探讨,并对其驱动力的一般表达式进行了简要推导。
关键词:磁悬浮列车比较直线电动机驱动系统
1.前言
近年,磁悬浮列车被预言为二十一世纪最理想的陆上交通工具之一。它的时速可达到500公里以上,是当今世界上最快的地面客运交通工具,同时还有着爬坡能力强、运行时噪音小、安全舒适、无污染、能耗低等优点,每个坐位的能耗仅为飞机的三分之一、汽车的70%。
近几十年来,德国和日本都在积极进行磁浮列车的研制和试验运行,并都已经取得重大进展和突破,我国的国防科技大学和西南交通大学,铁道部科学研究等单位也获得重要成果。上海修建的西起地铁龙阳路站,东至浦东国际机场约30公里的运营线,该线路已于2003年建成并投入运营。同时西南交大在四川成都青山磁悬浮列车观光线也已完工,该磁悬浮试验轨道长420米。此外,修建北京至天津间的磁悬浮列车线路也在论证中。专家们预测,不用许久,国产磁悬浮列车将在全国各地奔驰。可以说,磁浮列车已经开始真正走入人们的生活。那么什么是磁浮列车呢?它是根据什么原理进行悬浮驱动的呢?
2.磁浮列车
我们知道,传统的列车是利用车轮与钢轨之间的相互作用来解决支撑,导向和驱动等问题,列车在行驶时,车轮与钢轨是紧紧贴在一起的。而磁浮列车则是一种采用无接触的电磁来进行浮、导向和驱动系统的磁浮高速列车系统。它实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中并进行导向,实现列车与地面轨道间的无机械接触,再利用线性电机驱动列车运行。由于列车在牵引运行时与轨道之间的无磨擦接触,因此从根本上克服了传统列车轮轨粘着限制机械噪声和磨损等问题,从而实现高速运行。 龙源期刊网
[整理版]常导型磁悬浮列车
![[整理版]常导型磁悬浮列车](https://360docs-1393072327.cos.ap-beijing.myqcloud.com/27216211e97101f69e3143323968011ca300f72a.webp)
常导型磁悬浮列车 “常导型”磁悬浮列车
世界第一条磁悬浮列车示范运营线——上海磁悬浮列车，建成
后，从浦东龙阳路站到浦东国际机场，三十多公里只需6～7分钟。
上海磁悬浮列车是“常导磁吸型”（简称“常导型”）磁悬浮列车。
是利用“异性相吸”原理设计，是一种吸力悬浮系统，利用安装在列
车两侧转向架上的悬浮电磁铁，和铺设在轨道上的磁铁，在磁场作用
下产生的吸力使车辆浮起来。
列车底部及两侧转向架的顶部安装电磁铁，在“工”字轨的上方
和上臂部分的下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流使
电磁铁和轨道间保持1厘米的间隙，让转向架和列车间的吸引力与列
车重力相互平衡，利用磁铁吸引力将列车浮起1厘米左右，使列车悬
浮在轨道上运行。这必须精确控制电磁铁的电流。
悬浮列车的驱动和同步直线电动机原理一模一样。通俗说，在位
于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变成电磁体，由于它与
列车上的电磁体的相互作用，使列车开动。
列车头部的电磁体N极被安装在靠前一点的轨道上的电磁体S极
所吸引，同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体N极所排斥。列车
前进时，线圈里流动的电流方向就反过来，即原来的S极变成N极，
N极变成S极。循环交替，列车就向前奔驰。
稳定性由导向系统来控制。“常导型磁吸式”导向系统，是在列
车侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。列车发生左右偏移时，列车
上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，产生排斥力，使车辆恢复
正常位置。列车如运行在曲线或坡道上时，控制系统通过对导向磁铁
中的电流进行控制，达到控制运行目的。
“常导型”磁悬浮列车的构想由德国工程师赫尔曼?肯佩尔于
1922年提出。
“常导型”磁悬浮列车及轨道和电动机的工作原理完全相同。只
是把电动机的“转子”布置在列车上，将电动机的“定子”铺设在轨
道上。通过“转子”，“定子”间的相互作用，将电能转化为前进的
动能。我们知道，电动机的“定子”通电时，通过电磁感应就可以推动“转子”转动。当向轨道这个“定子”输电时，通过电磁感应作用，
长定子中低速磁浮直线电机动力学数值分析与优化设计
３６ 机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 第５期 ２０１２年５月 文章编号：１００１—３９９７（２０１２）０５—００３６—０３ 长定子中低速磁浮直线电机动力学数值 分析与优化设计冰 周益刘放何岚李飞 （西南交通大学机械工程研究所，成都６１００３１） Ｄｙｎａｍｉｃｓ ｎｕｍｅｒｉｃａＩ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌｏｎｇ ｓｔａｔｏｒ Ｉｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｆｏｒ ＩＯＷ—ｓｐｅｅｄ ｍａｑｌｅｖ ｔｒａｉｎ ＺＨＯＵ Ｙｉ，ＬＩＵ Ｆａｎｇ，ＨＥ Ｌａｎ，ＬＩ Ｆｅｉ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ） ｈｉ，卜’ｄ ’ｄ ＇ ’ｄ ｛ ’ｄ ／ 一十 ’ 一’ ｂ ｌ 、ｔ ＿ ■ ’ ＋ －＾ ● ■、● 十， Ｌ ●ｄＬ一 ＾ １、ｔ ｑ ● ｑ ｔ’ ｂ● 、● ｑ、１ ｑ ｑ、● 、● ｂ＋ ｑ、● １、●＾■、● 【摘要】对长定子中低速磁浮列车直线电机结构进行了较全面的动力学有限元数值分析，获得 了列车直线电机结构体的动力学基本品质特性，即固有频率和振动模态。在此数值分析基础上，研究分 析了直线电机对振动比较敏感的频率范围并进行了优化设计。结果表明，对直线电机的有限元分析不 仅在理论上起到了检验与校核的作用，为磁浮列车调试实验提供了直线电机结构的计算数据，还对直 线电机性能的进一步的设计和改进提供了依据。 关键词：磁浮列车；直线电机；动力学；有限元；优化设计 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ， ．ｅ．ｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ，ｆｏｒ ｌｉｎｅｒ ｍｏｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆｔｈｅ ｌｏｗ－ｓｐｅｅｄ ｍａｇｌｅｖ ｔｒａｉｎ ａｒｅ ｇｏｔ ｅｒ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ＦＥＭ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｏｎ ｉｔｓ ｄｙｎａｍ一 ｓ ｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｌｏｎｇ ｓｔａｔｏｒ ｌｉｎｅａｒ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ．Ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｄｏｍ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｖｉｏｕｓ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｉｎ ｔｈｅｏｒｙ Ｗａｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｉｎｓｐｅｃｔ ａｎｄ ｃｈｅｃｋ，ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｄａｔａｆｏｒ ｔｅｓｔ ｒｕｎｎｉｎｇ ｏｆ ｍａｇｌｅｖ ｔ九打ｎ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｍａｇｉｅｖ；Ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ；Ｄｙｎａｍｉｃｓ；Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ；Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ 中图分类号：ＴＨ１６，Ｕ２３７，ＴＰ３９１．２文献标识码：Ａ — ＪＣ ——ｔ—‘ １日ＩＪ百 长定子中低速磁悬浮列车是居于国内领先地位的实际工程 项目，目前我国正在对某新型中低速磁浮列车进行工程应用前的 足尺调试运行实验，测试磁浮列车其运行的稳定性、可靠性和安 全性，检验列车的各项性能＿ｌ】。 长定子直线电机的定子（初级线圈）设置在导轨上，其定子 绕组可以在导轨上无限长地铺设，故称为“长定子”。磁浮列车系 统需要无接触驱动技术，由于最初采用的异步短定子直线电机存 在着一些致命的缺点，如功率因数小、效率低、气隙灵敏度高等， 现在改用长定子直线同步电机。该技术有利于将运载磁铁和电磁 驱动装置组合在一条有效轨道上，定子迭片的铁芯可以同时作为 运载磁体的磁芯衔铁，列车可以作为电机的感应子，由它的运载 磁体给出的磁通能同时对电机进行励磁，这使得列车制造成本降 低、效率提高目。 前人已完成了对磁浮直线电机的电磁场建模１３］和电磁场有 限元分析和电感计算［４１，直线电机动态的性能分析还没有全面展 开。另外，直线电机的变形及振动会影响磁浮列车垂直悬浮距离 从而对列车运行安全产生影响。因此，有必要在前人工作的基础 上，对磁浮列车直线电机进行动力学结构分析，以确定直线电机 的合理结构，从而对其结构改进提供依据。 ２有限元模型的建立 ２．１结构分析 新型中低速磁浮列车直线电机结构，如图１所示。主要由硅钢 片、角形夹板和线圈等组成。总长１８１０ｍｍ，宽２３２ｍｍ（不缠绕线圈）， 宽５ｌＯｍｍ（缠绕线圈），高８４ｍｍ，由４４０个硅钢片通过螺栓叠压而 成，固定在导轨两侧下方；单个硅钢片槽长１６．１ｍｍ，高４２５ｍｍ，厚度 ０５ｍｍ，共７９个。硅钢片白勺＝ 令牟Ｌ无取向钢ＤＷ３１０－５０，其厚度 均匀，尺寸精度高，表面光滑平整，从而提高了填充系数和材料的磁 性能；角形夹板采用Ｑ２３５Ｂ，线圈是由 图１直线电机结构图 １．硅钢片２．角形夹板３．线圈 ２＿２材料参数 主要材料为ＤＷ３１０—５０和Ｑ２３５Ｂ，性能参数，如表１所示。 表１材料参数 ★来稿日期：２０１１－０７—１１ －ｋ基金项目：西南交通大学“优势学科创新平台”建设项目（２０１０—１０）
磁悬浮的应用—磁悬浮列车
磁悬浮的应用—磁悬浮列车
摘要
电磁学在磁悬浮列车（MAGLEV）上的应用是电磁在工程技术上达到的一个新
的高度。磁悬浮列车是一种新型的高速有轨地面运输系统，开创了铁路运输史上的新时代。本篇文章论述磁悬浮列车应用电磁学的基本工作原理，讨论分析了磁
悬浮列车的优势缺点及存在的问题，并分析了磁悬浮列车的发展前景。
关键词：磁悬浮 超导 摩擦 常导型 超导型
前言 ：磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的磁悬浮高速列车系统。磁悬浮列车是目前陆地上最快的交通工具，它被认为是21世纪最
有潜力的交通工具。关于它的研究一直处于世界科技领域前沿。
一、磁悬浮列车的工作原理
磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成，尽管可以
使用与磁力无关的推进系统，但在目前的绝大部分设计中，这三部分的功能均由磁力来完成（如下图形为磁悬浮列车的原型）。
磁悬浮列车是一种利用磁极吸引力和排斥力的高科技交通工具。简单地说，排斥力使列车悬起来、吸引力让列车开动。目前磁悬浮列车依据吸力和斥力可分为两种。
1.电磁悬浮系统（EMS） 电磁悬浮系统（EMS）是一种吸力悬浮系统，是结合在机车上的电磁铁和导
轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮。常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部
的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定
的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。车辆
与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下
列车仍然可以进入悬浮状态。是一种吸力悬浮系统，是结合在机车上的电磁铁和
导轨上的铁磁轨道相互排斥产生悬浮。常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁排斥力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将
中速磁浮无铁心永磁直线同步电机的结构优化
第27卷 第5期2023年5月 电 机 与 控 制 学 报Electric Machines and Control Vol.27No.5
May2023
中速磁浮无铁心永磁直线同步电机的结构优化
王辉煌1,2,3, 杜玉梅1,2, 张瑞华1, 张俊康3, 李正浩1,2,
郭科宇1,2,4, 王培龙1
(1.中国科学院电工研究所,北京100190;2.中国科学院大学,北京100049;3.国网福建省电力有限公司
泉州供电公司,福建泉州362000;4.中国北方车辆研究所,北京100084)
摘 要:中速磁浮列车采用单边长初级无铁心永磁直线同步电机(IPMLSM)作为牵引电机,因为这种电机具有结构简单、运行平稳、无轮轨摩擦以及法向吸引力接近于0等优点,但是由于该电机定子无铁心,导致其推力密度较小,且永磁材料使用过多及定子绕组沿轨道长距离铺设,使电机效率进一步降低。为了提高电机性能,在IPMLSM基本结构的基础上,提出一种新型永磁体装配结构,可提升电机推力密度;并根据长定子IPMLSM绕组的特点,优化绕组导体截面,获得适用于中速磁浮列车IPMLSM定子绕组导体的宽与高之比,进一步提升电机的推力密度。最后,制作IPMLSM小型样机实验装置,对比实验结果验证了所提改进结构的优越性。关键词:无铁心永磁直线同步电机;Halbach永磁阵列;新型永磁体装配结构;结构优化;长定子;中速磁浮列车DOI:10.15938/j.emc.2023.05.006
中图分类号:TM359.4;TM351文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)05-0046-10
收稿日期:2021-10-29基金项目:国家重点研发计划(2016YFB1200601-B18)作者简介:王辉煌(1994—),男,硕士,研究方向为永磁电机优化设计、电动汽车驱动电机研究、磁悬浮及直线驱动技术等;杜玉梅(1964—),女,博士,教授级高级工程师,硕士生导师,研究方向为电磁场数值分析、直线电机、磁悬浮及直线驱动;张瑞华(1975—),女,博士,副研究员,硕士生导师,研究方向为电力电子与直线驱动技术;张俊康(1977—),男,学士,研究方向为电网稳定性、变电站综合自动化关键技术研究;李正浩(1993—),男,博士研究生,研究方向为电磁场数值分析、永磁电机设计与驱动等;郭科宇(1993—),男,博士,研究方向为电动汽车驱动电机设计及控制;王培龙(1988—),男,博士,助理研究员,研究方向为电磁场数值分析、永磁电机设计与驱动等。通信作者:杜玉梅Structureimprovementofironlesspermanentmagnetlinearsynchronous
常导型高速磁悬浮列车中悬浮电磁铁的程序化优化设计
２００６年第２期 ２００６年３门１０ 机 １‘ 电 传 础 ＥＬＥＣＦＲＩＣ ＤＲＩＶＥ ＦＯＲ ＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥＳ ２．２００６ Ｍａｒ．１０．２００６
作者 介：陈椽湘（Ｉ９７０一）． 博士．副教授．主要＾Ｌ事电磁 摘要：常导型高速磁悬浮列车中的悬浮电磁铁同时艰搁精魁浮 推进，发电等多项任务．其捡削技术、智能仪器豉自动洲 几何参数直接影响到列车电磁系统的性能。在对悬浮Ｉ乜磁铁避行优化澄计时．需要综合考虑直线间试系境的研究和开斑工作 步电机和直线发电机这２个于系统的性能。为此引入全局化的臼桥函数对系统的总体性能进行控制． 并以有限元分析和计算作为基础．采用程序化优化设计疗法划悬浮电磁铁的几何参数进行自动调整， 经过多次迭代计算可得到优化蹬计的结果 关键词：磁悬浮列车；悬浮电磁铁；直线同步电机；直线发电机；优化设计；目标晒数 中田分类号：Ｕ２３７ 文献标识码ｌ Ａ 文章编号：１０００—１ ２８Ｘ（２００６）０２—００２７—０３ Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ Ｐｒｏｇｒａｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ Ｍａｇｎｅｔ ｉｎ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ ＥＭＳ－ｍａｇｌｅｖ Ｓｙｓｔｅｍ ＣＨＥＮ Ｄｉ－）ｄａｎｇ，ＰＡＮ Ｍｅｎｇ－ｃｈｕｎ，ＬＵＯ Ｆｅｉ－ｌｕ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ．ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＤｅｔ￣ｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｃｈａｎｇｓｈａ．Ｈｕｎａｎ４１００７３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｍａｇｎｅｔ ｉｎ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ＥＭＳ－ｍａｇｌｅｖ ｓｙＭｅｍ ｔ￣ｎｃｔｉｏｎｓ ａｔ ｔｈｅ Ｓｉｔ．ｒｎｏ ｔｉｍｅ ａｓ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ．ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．ａｎｄ ｉｔｓ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｈａｖｅ ｄｉｒｅｃｔ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆｔｈｅ ｍａｇｌｅｖ ｓｙｓｔｅｍ．Ｄｕｒｉｎｇ ｉｔｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｃｓｉ肼．ｐｅｒｆｏｒ－ ｍａｎｔｅｓｏｆｔｈｅｔｗｏ ｓｕｂ－ｓｙｓｔｅｍｓｏｆｌｉｎｅａｒ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒａｎｄｌｉｎｅａｒｇｅｎｅｒａｔｏｒｈａｖｅｔｃ；ｂｅｔａｋｅｎｉｎｔｏｉｎｔｅｇ￣ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｆｅｆ０ ｔｈｅｆｕｌｌ－ ｓｃａｌｅ ｔａｒｇｅｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ Ｆｔ１ｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ０１１ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｔｂｒｍａｎｃｅｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＥＡ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ．ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｉｓ ａｄｏｐｔｅｄｆｏｒｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｏｆｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａ［ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆｔｈｅｍａｇｎｅｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆｏｐｔｉｍｕｍｄｅｓｉｇｎ ａｒｅｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍｉｔｅｒａｔｉｘｃ刚ｃｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｍ＇ｄｓ：ｎｍｇ｜ｅｖｖｅｈｉｃ！ｅ；ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｍａｇｎｅｔ；ｌｉｎｅａｒ ｒｎｃｈｍｎ０ ｍｏｌ（ｍ，ｌｉｎｅａｒｇｅｎｅｒｍａｒ；ｏｐｔｉｍｕｍｄｅｓｉｇｎ；ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎ ０引言 常导型高速磁悬浮列年中的悬浮电磁铁作为直线Ｉ司 步电机的转子，与长定子（轨道）ｌ卡【Ｉｌ 作用可以产：生推 和悬浮力；同时南于悬浮电磁铁板丽 的齿槽内安装有 发电线圈．在列车高速运动时会切割磁力线而产生感成 电动势，因而又构成丁一台直线发ｌｂ机．为乍载电子设 铸供电。可见，在高速磁悬浮列 的直线同步Ｉ 机和 线发电机这２个子系统中，悬浮电磁铁部发挥蓿重要作 用．是列车电磁系统中的关键部件之一 因此．诬对悬浮 电磁铁优化设计时．只有采用全局化的｝ｊ杯 数来对系 统的整体性能进行控制，才能取得比较满意的结果 １ 悬浮电磁铁的基本结构 悬浮电磁铁的基本结卡句如 Ｉ所爪”” 收稿日期：２００５—０７一１０：收修改稿日期 ２００５—１０—２Ｉ 基盒项目ｌ闻家８６３什划“高速磁浮空通技术”最夫々 啦助 ｃ ２０（）ＩＡＡ５０５ ）０－１（１９） Ｉ同同园 囹Ｉ ・ｌ＋ Ｉ ・