超导线性牵引电机的电磁特性仿真与实验研究

发布时间：2017-03-29 07:02

  本文关键词：超导线性牵引电机的电磁特性仿真与实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着电机理论、控制方法的迅速发展和材料性能的不断提高以及高性能元器件加工能力的不断增强,直线电机得到了迅速的发展。特别是近几年来,由于大推力、高精度以及高速度直线驱动系统的需要,使直线电机较旋转电机的优势更为突出,其研究也逐渐成为大家关注的焦点。与此同时,超导材料的发展也呈现日新月异的态势,触发了研究高温超导直线电机的热潮。针对永磁线性牵引电机磁场较小且具有易吸附铁磁性物质的缺点,本文设计了以高温超导线圈磁体为动子的线性牵引电机,并进行了相关的电磁特性研究。为研究以高温超导线圈磁体为动子的线性牵引电机的可行性和优越性,本文从仿真和实验的角度出发,结合高温超导体的E-J本构关系,建立了考虑高温超导体电阻率强非线性现象的计算方程,搭建了高温超导线性牵引电机的有限元仿真模型以及对应的高温超导线性牵引电机实验及测试平台。此外,为解决动子高温超导线圈采用接触供电方式而产生的问题,构建了高温超导励磁线圈无线充电系统的有限元仿真模型和相应的实验测试装置。对于高温超导线性牵引电机的有限元仿真,建立了考虑高温超导带材强电阻率非线性现象的有限元仿真模型,研究了超导直线电机的磁场分布情况、推力随气隙高度变化规律以及最大带负载能力与最大直接启动频率,并与永磁线性牵引电机进行了对比研究,验证了高温超导带材能有效提高直线电机性能这一结论。分析了超导线性牵引电机的变频启动,肯定了等时-频变频启动法对高温超导线性牵引电机的有效性。对于高温超导线性牵引电机的实验研究,比较了不同气隙高度下最大推力的仿真计算结果与实验测量结果,验证了有限元仿真模型的有效性,测试了初级绕组电压恒定时直线电机推力随频率的变化关系以及恒压频比条件下的推力随频率的变化关系,肯定了恒压频比能实现线性牵引电机匀加速启动的有效性以及在低频时应适当提高电压与频率比值的结论,并从实验的角度证实了以高温超导线圈磁体为动子的线性牵引电机的可行性。对于高温超导励磁线圈无线充电系统,采用有限元软件COMSOL对多源线圈阵列的无线供电进行了研究,分析了不同阵列系统的电磁场分布情况以及接收电压情况,确定了一种最佳的线圈排列方式以及线圈间距,研究表明：当源线圈呈线性阵列排布且间距合理时,即使接收端在准静态过程中也可以实现电压的稳定接收,且电压波动极小,并通过实验的方法验证了这一结论。
【关键词】：线性牵引电机 高温超导体 超导线圈磁体 变频启动 有限元仿真 无线能量传输
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM359.9
【目录】：

• 摘要6-7
• ABSTRACT7-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题研究背景及研究意义10-12
• 1.1.1 线性牵引电机的应用优势10
• 1.1.2 高温超导带材发展历程及其制备10-11
• 1.1.3 高温超导线性牵引电机的应用优势11-12
• 1.2 直线电机国内外发展及研究现状12-14
• 1.3 本论文主要研究内容14-16
• 第2章 高温超导线性牵引电机的设计16-25
• 2.1 线性牵引电机的分类16-17
• 2.1.1 按结构型式分类16-17
• 2.1.2 按功能用途分类17
• 2.1.3 按工作原理分类17
• 2.2 高温超导线性牵引电机的工作原理17-18
• 2.3 高温超导线性牵引电机的启动方法分析18-20
• 2.3.1 异步启动18-19
• 2.3.2 自启动19
• 2.3.3 辅助电机启动19
• 2.3.4 变频启动19-20
• 2.4 高温超导线性牵引电机的结构设计20
• 2.5 初级结构确定20-21
• 2.6 次级超导线圈设计和气隙高度选取21-24
• 2.6.1 次级励磁超导线圈设计21-23
• 2.6.2 气隙高度确定23-24
• 2.7 小结24-25
• 第3章 高温超导线性牵引电机的仿真研究25-41
• 3.1 有限元分析软件概述25-27
• 3.1.1 电机的分析方法介绍25
• 3.1.2 MAGNET软件介绍25-26
• 3.1.3 高温超导体的数值模型26
• 3.1.4 有限元的计算方法26-27
• 3.2 超导线性牵引电机的结构参数和三维模型27-29
• 3.3 堵转仿真29-32
• 3.4 动态仿真32-37
• 3.5 高温超导线性牵引电机变频启动研究37-40
• 3.6 小结40-41
• 第4章 高温超导线性牵引电机实验研究41-49
• 4.1 高温超导直线电机测试实验装置41-45
• 4.1.1 高温超导线性牵引电机样机41-42
• 4.1.2 供电部分介绍42-43
• 4.1.3 测试设备43-45
• 4.2 高温超导线性牵引电机实验研究45-48
• 4.2.1 堵转实验45-48
• 4.2.2 动态特性研究48
• 4.3 小结48-49
• 第5章 高温超导励磁线圈的无线充电49-64
• 5.1 超导励磁线圈的供电方案技术优势49
• 5.2 磁耦合谐振式无线电能传输方案研究49-51
• 5.2.1 无线传能的基本原理和研究现状49-51
• 5.3 磁耦合谐振式无线传能实验电路设计51-54
• 5.4 无线传能系统仿真模型54-55
• 5.5 实验结果与仿真结果验证55-58
• 5.6 多源线圈阵列谐振式无线能量传输系统实验研究58-62
• 5.6.1 单一源线圈、单一接收线圈研究58-59
• 5.6.2 多源线圈直线阵列、单一接收线圈研究59-62
• 5.7 小结62-64
• 结论64-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-72
• 攻读硕士期间发表的学术论文及科研成果72-74

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