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复合磁悬浮的高温超导直线同步电动机

作 者: 郑陆海
导 师: 金建勋
学 校: 电子科技大学
专 业: 检测技术与自动化装置
关键词: 直线同步电动机 高温超导直线同步电动机 高温超导磁悬浮 高温超导块材磁体 磁悬浮推进系统
分类号: TM37
类 型: 博士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


自高温超导体在1986年发现后,其应用技术也逐步发展起来。目前,高温超导材料的主要应用形式为块材,带材和薄膜,其中高温超导块材基于其迈斯纳效应和强磁场俘获能力而具有广泛应用于磁悬浮运输、电机、高能物理等领域的潜力。本论文系统总结了高温超导材料在电机驱动和磁悬浮中的应用,基于相关理论和数值分析,研制出了国内首台应用高温超导块材磁体阵列作为电机次级的高温超导直线同步电动机,同时该样机复合了高温超导磁悬浮子系统,实现了无摩擦悬浮推进,并具有自悬浮和自导向功能,使得电机推力大,效率高,控制技术简单。本论文围绕与该高温超导直线电机推进系统模型相关的关键技术问题开展下述研究工作。首先完成了高温超导直线同步电动机的结构设计,包括长初级定子和两种不同结构的高温超导块材磁体阵列次级动子。根据所设计电机的实际结构与尺寸,结合超导块材磁体理论模型,建立了高温超导直线同步电动机的数值模型和等价有限元模型,推导出了新型直线电机的主要电磁参数计算公式,通过有限元仿真研究了电机的电磁推力和法向力特性,以及齿槽力特性,为后续的实际样机性能测试奠定理论基础。其次完成了用于高温超导直线同步电动机次级动子悬浮和导向的高温超导磁悬浮子系统的结构设计,包括三种永磁轨道物理模型,并实际开发了表面置磁型和磁通聚集型永磁轨道。为能够采用数值方法研究高温超导磁悬浮系统的悬浮力和导向力特性,本文采用等价电流片方法建立了不同结构类型永磁轨道的磁场分布数值模型,并通过实验测试验证了所建模型的准确性。基于建立的等价电流片永磁轨道数值模型,作者分别建立了矩形和圆柱体形高温超导块材在永磁轨道上方的悬浮力和导向力模型,为高温超导磁悬浮系统的悬浮/导向性能研究,提供了有效的理论分析手段。在完成样机研制的基础上,开展了用于高温超导直线同步电动机次级的高温超导块材的充磁特性研究,包括直流场冷/零场冷,以及脉冲零场冷充磁特性,并比较了不同充磁方法的特点,探索可实际用于直线电机的高温超导块材的最佳充磁方法。针对高温超导块材磁体的交场应用环境,率先对YBCO(Y-123)高温超导块材磁体在直线电机产生的交变行波磁场中的电磁特性展开实验研究,获得了高温超导块材磁体俘获磁场在直线电机中不同交变外场条件下的衰变特性,为提高超导块材磁体在交场环境下的应用性能提供了理论与实验依据。基于实验研究成果,针对设计的两种不同结构的高温超导块材磁体阵列次级,分别设计了用于获得交替磁极的新型充磁系统,解决了在高温超导直线电机应用当中交替磁极磁体阵列充磁的关键技术问题。针对所研制的高温超导直线同步电动机的特点,开发了相应的直线电机控制系统和测试系统。应用所开发的直线电机测控平台,对高温超导直线同步电动机的主要运行参数进行了测试,系统研究了电机的推力和法向力特性,得到的重要结论为高温超导直线同步电动机的优化电磁设计和优化控制策略选择提供了依据。在现有样机设计的基础上,作者提出了两种采用双边型高温超导直线同步电动机实现推进的新型高温超导磁悬浮与直线推进系统模型,并分别对它们在飞机电磁弹射系统和磁悬浮列车中的应用做了探讨性研究。基于实际应用需求,作者给出了实际设计参数,并通过有限元仿真得到其性能特征和优化设计方案。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
第一章 绪 论  14-45
  1.1 课题背景  14-30
    1.1.1 高温超导应用理论概述  16-20
    1.1.2 高温超导实用材料  20-27
    1.1.3 高温超导电机技术  27-30
  1.2 高温超导直线电机技术  30-38
    1.2.1 高温超导块材次级直线磁阻同步电动机  30-33
    1.2.2 高温超导块材磁体次级直线同步电动机  33-35
    1.2.3 高温超导线圈磁体次级直线同步电动机  35-36
    1.2.4 高温超导线圈初级直线同步电动机  36-38
  1.3 高温超导磁悬浮技术  38-42
    1.3.1 磁悬浮技术发展概述  38-40
    1.3.2 高温超导磁悬浮技术  40-42
  1.4 论文主要研究内容与创新点  42-45
    1.4.1 研究内容  42-43
    1.4.2 创新点  43-45
第二章 高温超导直线同步电动机设计与性能分析  45-87
  2.1 HTSLSM 物理模型  45-46
  2.2 HTSLSM 结构设计  46-51
    2.2.1 初级定子  48-50
    2.2.2 高温超导块材磁体次级动子  50-51
  2.3 HTSLSM 理论模型与有限元建模  51-69
    2.3.1 高温超导块材磁体数值模型  51-59
    2.3.2 HTSLSM 理论模型  59-63
    2.3.3 HTSLSM 有限元建模  63-67
    2.3.4 HTSLSM 气隙磁场分布  67-69
  2.4 HTSLSM 电磁参数数值计算  69-76
    2.4.1 超导块材磁体磁链  69-70
    2.4.2 空载反电动势  70-71
    2.4.3 交/直轴电感  71-75
    2.4.4 交/直轴同步电抗  75-76
  2.5 HTSLSM 力性分析  76-86
    2.5.1 HTSLSM 起动特性和堵转特性  76-79
    2.5.2 超导块材磁体尺寸对推力/法向力影响  79-81
    2.5.3 超导块材俘获磁场对推力/法向力影响  81-82
    2.5.4 HTSLSM 与PMLSM 的推力性能比较  82-83
    2.5.5 HTSLSM 齿槽力特性  83-86
  2.6 本章小结  86-87
第三章 高温超导磁悬浮系统设计与数值分析  87-110
  3.1 高温超导磁悬浮装置设计  87-89
  3.2 PMG 数值建模与磁场分布特性  89-100
    3.2.1 表面置磁型PMG 数值模型与验证  90-94
    3.2.2 磁通聚集型PMG 数值模型与验证  94-98
    3.2.3 Halbach 阵列PMG 数值模型与磁场分析  98-100
  3.3 悬浮力和导向力数值计算  100-105
    3.3.1 柱形高温超导块材与单块柱形永磁体之间的作用力  100-102
    3.3.2 矩形高温超导块材与PMG 之间的悬浮力/导向力  102-103
    3.3.3 高温超导块材与不同PMG 之间的悬浮力比较  103
    3.3.4 高温超导块材与PMG 之间的动态悬浮特性  103-105
  3.4 PMG 尺寸对悬浮力影响及优化  105-109
    3.4.1 PM 高度对悬浮力影响  106
    3.4.2 中间软铁厚度对悬浮力影响  106-107
    3.4.3 两侧铁心厚度对悬浮力影响  107
    3.4.4 中间软铁厚度对PM 最优高度的影响  107-108
    3.4.5 两侧软铁厚度对PM 最优高度的影响  108
    3.4.6 两侧软铁与中间软铁厚度相互影响  108-109
  3.5 本章小结  109-110
第四章 高温超导块材充磁特性与交变磁场下衰变特性  110-137
  4.1 高温超导块材稳恒场充磁特性  110-118
    4.1.1 场冷下磁场俘获特性  111-114
    4.1.2 零场冷下块材磁场渗透与俘获特性  114-117
    4.1.3 场冷与零场冷充磁特性比较  117-118
  4.2 高温超导块材脉冲场充磁特性  118-123
    4.2.1 脉冲场数值计算  118-121
    4.2.2 脉冲励磁磁场对块材俘获场的影响  121-122
    4.2.3 脉冲励磁次数对俘获磁场的影响  122
    4.2.4 俘获磁场随时间衰减特性  122-123
  4.3 高温超导块材磁体交场下电磁特性研究  123-132
    4.3.1 外场幅值对俘获场影响  125-126
    4.3.2 外场频率对俘获场影响  126-127
    4.3.3 外场方向对俘获场影响  127-128
    4.3.4 块材品质对俘获场衰减影响  128
    4.3.5 块材俘获磁场衰变机制研究  128-132
  4.4 块材俘获场衰减对HTSLSM 性能的影响  132-133
  4.5 HTSLSM 次级高温超导块材磁体阵列充磁系统  133-135
    4.5.1 交替磁极磁体阵列脉冲充磁系统  133-134
    4.5.2 交替磁极磁体阵列稳恒场充磁系统  134-135
  4.6 本章小结  135-137
第五章 高温超导直线同步电动机性能测试与特性分析  137-155
  5.1 HTSLSM 驱动系统设计  137-141
    5.1.1 HTSLSM 调速系统的Simulink 实现  137-138
    5.1.2 SVPWM 策略的LabVIEW 实现  138-141
  5.2 空载反电势及齿槽力测试  141-143
  5.3 HTSLSM 推力与法向力测控系统  143-149
    5.3.1 推力/法向力测控平台及测试原理  143-145
    5.3.2 初级相电流工作特性  145-147
    5.3.3 推力和法向力与电流幅值及频率的关系  147-149
  5.4 不同气隙长度下推力和法向力测试与分析  149-150
  5.5 不同磁体极数下推力和法向力测试与分析  150-151
  5.6 不同磁体排列组合下推力和法向力测试与分析  151-154
  5.7 本章小结  154-155
第六章 高温超导直线同步电动机应用探讨与分析  155-175
  6.1 新型高温超导磁悬浮与直线推进系统模型  155-156
  6.2 用于EMALS 的双边型HTSLSM 设计及其特性分析  156-164
    6.2.1 EMALS 对直线电机的技术要求  156-157
    6.2.2 EMALS 用HTSLSM 结构设计  157-161
    6.2.3 高温超导线圈磁体设计与特性研究  161-163
    6.2.4 有限元建模与性能分析  163-164
  6.3 用于磁浮列车的HTSLSM 设计及其特性分析  164-170
    6.3.1 结构设计和技术指标  164-167
    6.3.2 HTSLSM 有限元建模与性能分析  167-170
    6.3.3 HTSLSM 推进磁浮列车在真空管道运输中应用探讨  170
  6.4 HTSLSM 与PMLSM 和LIM 应用性能比较  170-173
  6.5 本章小结  173-175
第七章 总结与展望  175-178
  7.1 全文总结  175-177
  7.2 进一步工作展望  177-178
致 谢  178-179
参考文献  179-196
攻博期间取得的研究成果  196-200

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 超导体电机
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