CN107395091A - 一种直线电机牵引系统定位力削减方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直线电机牵引系统定位力削减方法，该牵引系统包括四台三相初级永磁直线电机，首先对直线电机定位力傅里叶分解，得到幅值最大的谐波次数m；然后设定第一初级永磁直线电机和第二初级永磁直线电机间的空间距离为（k1+1/(2*m））τs，并视其整体第一组合体；设定第三初级永磁直线电机和第四初级永磁直线电机间的空间距离为（k2+1/(2*m））τs，并视其整体为第二组合体；接着对第一组合体定位力傅里叶分解，得到幅值最大的谐波次数n；最后设定两组合体间的空间距离为（k3+1/(2*n））τs；其中k1，k2，k3为正整数，τs为定子极距。本发明可以显著削弱定位力，改善推力波动性能，并且可以保持单台电机的静态平均推力不变，从而维持列车原有的载客能力。

Description

一种直线电机牵引系统定位力削减方法
技术领域
本发明是一种直线电机牵引系统定位力削减方法，属于电机驱动与控制技术领域。
背景技术
城市轨道交通牵引系统是一种多电机驱动系统。由于响应速度快、功率密度高、永磁体和电枢绕组都被安装在初级上，次级结构简单，工程造价低，初级永磁直线电机在城市轨道交通中发挥着越来越重要的作用。
永磁直线电机的最大局限性是推力波动。而定位力是推力波动的主要成分，也是评价永磁直线电机性能的重要标志。现有的研究方法都是在一台永磁直线电机的基础上，通过改进永磁直线电机的结构来减小定位力，主要有以下三种：
改变永磁体的形状和布置方式；
改变边齿形状和采用斜槽；
增加气隙长度。
但是，既有方法多数都是针对单电机的定位力削弱方法，而城市轨道交通系统牵引系统是一种多电机牵引系统。
发明内容
发明目的：本发明提出了一种直线电机牵引系统定位力削减方法，用于城市轨道交通多电机牵引系统，该方法不同于传统的一台永磁直线电机的定位力削减模式(通过改进永磁直线电机的本体结构来减小定位力)，对电机本体不做任何改进，而是通过调整不同电机之间的空间位置来削减定位力。
技术方案：一种直线电机牵引系统定位力削减方法，其中牵引系统包括依次设置的四台相同的三相初级永磁直线电机：第一初级永磁直线电机、第二初级永磁直线电机、第三初级永磁直线电机和第四初级永磁直线电机；所述方法包括如下步骤：
(1)对任一初级永磁直线电机的定位力进行傅里叶分解，得到各次谐波的幅值，记谐波幅值最大的谐波次数为m；
(2)根据谐波次数m和定子极距τs设定第一初级永磁直线电机和第二初级永磁直线电机的空间距离为(k1+1/(2*m))τs(k1为正整数)，以消除第一初级永磁直线电机和第二初级永磁直线电机的定位力的m次谐波；同理设定第三初级永磁直线电机和第四初级永磁直线电机的空间距离为(k2+1/(2*m))τs(k2为正整数)；
(3)将第一初级永磁直线电机和第二初级永磁直线电机作为第一组合体，第三初级永磁直线电机和第四初级永磁直线电机作为第二组合体，对第一组合体或第二组合体的定位力进行傅里叶分解，得到各次谐波的幅值，记谐波幅值最大的谐波次数为n；
(4)根据谐波次数n和定子极距τs设定第一组合体和第二组合体的空间距离为(k3+1/(2*n))τs(k3为正整数)，以消除第一组合体和第二组合体的定位力的n次谐波，从而削弱牵引系统整体的定位力。
有益效果：本发明方法在具备传统定位力削减模式的定位力小，结构简单，易于生产等优点之外，还具有如下技术优势：
优势Ⅰ—在不改变直线牵引电机结构且不增加牵引系统成本的前提下，所提定位力削减方法可以显著削弱定位力，从而改善推力波动性能，提高列车运行品质；
优势Ⅱ—在削弱定位力的同时，所提定位力削减方法可以保持单台直线牵引电机的静态平均推力不变，从而维持列车原有的载客能力。
附图说明
图1是四台永磁直线电机牵引系统结构图；
图2是直线电机结构图；
图3是一台永磁直线电机定位力谐波图；
图4是第一组合体的定位力谐波图；
图5是不同空间结构的定位力曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明；
如附图1所示，本发明实施例公开的一种直线电机牵引系统定位力削减方法，其牵引系统包含四台相同的三相初级永磁直线电机；第一初级永磁直线电机1和第二初级永磁直线电机2的空间距离(两者始端间的距离)为d12，第一初级永磁直线电机1和第三初级永磁直线电机3的空间距离为d13，第三初级永磁直线电机3和第四初级永磁直线电机4的空间距离为d34。如附图2所示，每台初级永磁直线电机包括三相模块，每相模块由两个E型模块组成，且每个E型模块之间均由磁障隔开。具体的直线电机牵引系统定位力削减方法包括如下步骤：
(1)通过有限元仿真，可以得到每台永磁直线电机的定位力，对定位力进行傅里叶分解，可以得各次谐波的幅值，记谐波幅值最大的谐波次数为m，如图3所示，本例中m＝2。在实际工程设计或应用中，可以采用有限元仿真，也可以应用力传感器和光栅位置传感器分别用来测试直线电机的定位力和初级位置，并通过数字信号处理器将力传感器数据的模拟信号数字化，并与光栅位置信号关联起来；或者应用定弹簧秤+标尺的测量方法。
(2)设定永磁直线电机间的空间距离以消除定位力的幅值最大的谐波。
由数学知识可知，任意周期函数g可以经过傅里叶分解成：
在实际工程应用中，高次谐波所占比重较小，可以忽略不计。其中幅值最大的对应上文的m，为了消除m次谐波，则可以让相邻电机定位力中的m次谐波的相位差为180度，从而实现两台电机的定位力最大幅值谐波消除。基波的周期与1/τs成正比，m次谐波的周期与1/m*τs成正比，所以可以将两台直线电机的距离设置为(k+1/(2*m))τs以将最大幅值谐波消除，其中τs为定子极距，k为正整数，k的具体选取可以根据具体的电机参数和车身长度确定，满足k个极距大于单台直线电机的长度，而且尽可能在车厢内均匀分布。
本例中，为了消除2次谐波，将第一初级永磁直线电机和第二初级永磁直线电机的空间距离设定为d12＝(k1+1/4)τs，因此，第一初级永磁直线电机和第二初级永磁直线电机的定位力的2次谐波将会大小相等，方向相反，从而实现第一初级永磁直线电机和第二初级永磁直线电机的定位力2次谐波的相互抵消；k1可在满足L1+3τs<(k1+1/(2*m))τs<L2/4的优选范围内合理取值，其中L1为单台电机的长度，L2为车身的长度；同理，第三初级永磁直线电机和第四初级永磁直线电机的空间距离设定为d34＝(k2+1/4)τs，本实施例中取k1＝k2＝19，即d12＝d34＝(19+1/4)τs。
(3)将第一初级永磁直线电机和第二初级永磁直线电机视为第一组合体，第三初级永磁直线电机和第四初级永磁直线电机视为第二组合体；对第一组合体或第二组合体进行有限元仿真，得到单个组合体的定位力，并进行傅里叶分析，可以得到组合体各次谐波的幅值，记谐波幅值最大的谐波次数为n，如图4所示，本例中n＝12。
(4)设定两组合体间的空间距离以消除组合体定位力幅值最大的谐波，从而削弱牵引系统整体的定位力。本例中，为了消除12次谐波，将第一组合体和第二组合体的空间距离设定为d13＝(k3+1/24)τs。k3可在满足2*L1+5τs<(k3+1/(2*n))τs<L2/2的优选范围内合理取值，本实施例中k3＝40。因此，第一组合体和第二组合体的定位力的12次谐波大小相同，方向相反。从而使的四台永磁直线电机整体的定位力大大减小。
为了验证本发明的效果，进行了仿真。图1是初级永磁直线电机牵引系统；图2是初级永磁直线电机结构图；图3是一台初级永磁直线电机定位力谐波图；图4是第一组合体的定位力谐波图；图5是不同空间结构的定位力曲线。在空间结构3中，四台初级永磁直线电机同相位分布，没有任何谐波的抵消，即d12＝d34＝20τs，d13＝40τs。在空间结构2中，只抵消了二次谐波，也就是d12＝d34＝(19+1/4)τs，d13＝40τs。在空间结构1中，既抵消了2次谐波，也抵消了12次谐波的，即d12＝d34＝(19+1/4)τs，d13＝(40+1/24)τs。
本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所做的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (1)

1.一种直线电机牵引系统定位力削减方法，其特征在于：所述牵引系统包括依次设置的四台相同的三相初级永磁直线电机：第一初级永磁直线电机、第二初级永磁直线电机、第三初级永磁直线电机和第四初级永磁直线电机；所述方法包括如下步骤：
（1）对任一初级永磁直线电机的定位力进行傅里叶分解，得到各次谐波的幅值，记谐波幅值最大的谐波次数为m；
（2）根据谐波次数m和定子极距τs设定第一初级永磁直线电机和第二初级永磁直线电机的空间距离为（k1+1/(2*m））τs，k1为正整数，以消除第一初级永磁直线电机和第二初级永磁直线电机的定位力的m次谐波；同理设定第三初级永磁直线电机和第四初级永磁直线电机的空间距离为（k2+1/(2*m））τs，k2为正整数；
（3）将第一初级永磁直线电机和第二初级永磁直线电机作为第一组合体，第三初级永磁直线电机和第四初级永磁直线电机作为第二组合体，对第一组合体或第二组合体的定位力进行傅里叶分解，得到各次谐波的幅值，记谐波幅值最大的谐波次数为n；
（4）根据谐波次数n和定子极距τs设定第一组合体和第二组合体的空间距离为（k3+1/(2*n））τs，k3为正整数，以消除第一组合体和第二组合体的定位力的n次谐波，从而削弱牵引系统整体的定位力。
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