T_CI 173-2023 轨道交通直线感应电机运行特性计算方法.pdf

学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载团体标准T/CI 173-2023轨道交通直线感应电机运行特性计算方法Operating characteristics calculation method of linear induction machinein rail transitICS 29.160.30CCS K26CI中国国际科技促进会发 布2023-11-3 发布2023-11-3 实施学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CI173-2023前言本标准按照标准化工作导则 第 1 部分：标准的结构和编写GB/T 1.1-2020 给出的规则起草。某些内容可能涉及专利，本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本文件由华中科技大学提出。本文件由中国国际科技促进会归口。本文件起草单位：华中科技大学、襄阳中车电机技术有限公司、株洲中车时代电气股份有限公司、同济大学、中国科学院电工研究所、中车株洲电机有限公司、湖南中车尚驱电气有限公司、淄博京科电气有限公司、长沙一派直驱科技股份有限公司、湖北环一电磁装备工程技术有限公司。本文件主要起草人：徐伟、葛健、廖凯举、李耀华、胡冬、李伟业、黄直峰、袁文烨、林国斌、苏诗湖、王珂、葛琼璇、郭颖聪、成思伟、上官用道、王禹、何明杰、何云风、李明贤、董义鹏、刘少克、郑球辉、黄诚、肖新宇、肖晗、唐一融、包振。学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CI173-20231轨道交通直线感应电机运行特性计算方法1 范围本文件规定了轨道交通行业短初级直线感应电机（后续简称为“直线感应电机”）运行特性计算的总体技术要求，内容包括标准的范围、规范性引用文件、术语和定义、等效电路模型、参数计算、运行特性计算、运行特性计算流程。本文件适用于轨道交通行业中直线感应电机的运行特性计算，包括在确定的电压、频率或电流、频率激励条件下，计算电机在一定速度下的推力、效率、功率因数、法向力等性能，进一步可得到电机的运行特性曲线。实施本标准所得的计算结果与实测值相对误差在 5%以内，可作为直线感应电机性能评价依据，也可为直线感应电机设计、控制提供技术支撑。对于在工业、航空航天等领域使用的相同结构直线感应电机，本标准规定的运行特性计算方法同样适用。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。所有引用文件及其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB 755 旋转电机 定额和性能GB/T 2900.25 电工术语 旋转电机GB/T 2900.36 电工术语 电力牵引GB/T 2900.74 电工术语 电路理论GB/T 2900.83 电工术语 电的和磁的器件GB/T 32349-2015 轨道交通 电力牵引 变流器供电的短初级直线感应电动机GB/T 32383-2020 城市轨道交通直线电机车辆通用技术条件CJ/T 311-2009 城市轨道交通直线感应牵引电机技术条件3 术语和定义GB/T 2900.25、GB/T 2900.36、GB/T 2900.74、GB/T 2900.83 和 GB/T 32349-2015 界定的术语和定义适用于本文件。3.1学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CI173-20232品质因数 Quality factor评价直线感应电机性能的因数，表示电机将电能转化为机械能的能力。3.2行波电流层 Travelling wave current layer分析电机内部电磁场问题时，用光滑表面代替实际开槽的初级铁芯，并用假想的具有无限薄的电流层代替实际初级载流绕组，该电流层用线电流密度表示。3.3内功率因数 Internal power factor感应电动势与初级相电流之间夹角的余弦。4 等效电路模型轨道交通直线感应电机结构示意如图 1 所示。图 1 直线感应电机结构示意图 1 中，p 为极对数；为极距；y1为初级绕组节距；e为机械气隙长度；d 为次级导体厚度；V2为初级移动速度。根据图 1 建立直线感应电机 T 型等效电路模型，如图 2 所示。图 2 直线感应电机 T 型等效电路模型图 2 中，sU、mE为初级电压和电动势相量；sI、mI、rI为初级绕组电流、励磁支路电流和次级支路电流相量；Rs、RFe为初级电阻、铁损电阻；Xls、Xlr为初级漏抗、次级漏抗；学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CI173-20233Xm为励磁电抗，mX为修正前的励磁电抗，Kx(s)、Cx(s)为励磁电抗的纵向端部效应修正系数和横向边缘效应修正系数；Rr为次级电阻，rR为修正前的次级电阻，rR由次级导体电阻 Rcon和次级背铁电阻 Rback并联而成，Kr(s)、Cr(s)为次级电阻的纵向端部效应修正系数和横向边缘效应修正系数；s 为转差率。5 参数计算依次建立一维和二维解析模型，进而得到考虑端部效应和集肤效应的修正系数，次级电阻和励磁电抗的纵向端部效应修正系数为：2212r21e21CCsGKsCpsG(1)2212x22e121CCKsCpsG(2)式中，pe为等效极对数，如果待计算电机为全填充槽直线感应电机，pe=p，如果为半填充槽直线感应电机，2e212143/3pppyq；G 为品质因数，20se2fGg；u0为真空磁导率；s为次级导体面电导率；f 为频率；ge为等效电磁气隙，ge=KsKc(e+d)，Ks为卡特系数，Kc为磁路饱和系数；中间参数 C1、C2为：e1e1211se2se1es11sssin(2)cos(2)2cossin()cos()ppep SSep SCpNS (3)e1e1211se2se2es11sscos(2)sin(2)2sincos()sin()ppep SSep SCpNS (4)式中，1s1tansG；1e22e1()NM；e1e0s22gg XV；1 221()MS；k；eSk；11etan；220e2XAABg；2s2AV；ees04gB；e为学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CI173-20234电流角频率；e2Y；0e22(2)gYAAB。次级电阻和励磁电抗的横向边缘效应修正系数为：22rRe Im ()Re sGTTC sT(5)22xRe Im ()Im TTC sT(6)式中，2211j(1)tanhTRRaa；211jRsG；22e0sejskg ；a1为初级铁芯宽度的一半。集肤效应系数为：221ef22111sinh211sinh2BkgKABkd(7)式中，2e21ese0sinh=coshkkgAkgsd ；2s01se012sdkBksd 。初级电阻为：Cu c1sNCul WRa S(8)式中，Cu为初级绕组电阻率；lc为初级绕组单匝长度；1W为初级绕组每相串联匝数；SCu为初级绕组单匝截面积；aN为并联支路数。初级漏抗为：2sted1ls1e0.158aXfWqpp(9)式中，q 为每极每相槽数；s、t、e、d分别为槽、齿、端部和绕组谐波漏磁导。修正前的励磁电抗为：21sm0w11ee42aVXmk Wg p(10)式中，m 为相数；w1k为初级绕组系数；Vs为同步速度，s2Vf。次级背铁电阻大小与磁场透入深度有关，即：学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CI173-20235FebackFedsf(11)式中，Fe为次级背铁的体电阻率，Fe为次级背铁的磁导率。修正前的次级背铁电阻、次级导体电阻和次级电阻分别为：21w11Febackbacke12a k WRdp(12)21w11conse12a k WRp(13)conbackrconbackRRRRR(14)基于复功率传递相等原则，次级漏抗的表达式为：frlr1sinh(2)K RXsBkd(15)铁耗等效为与励磁支路串联的铁损电阻：FetFeyFebFe2mPPPRI(16)式中，PFet、PFey、PFeb分布为初级齿部铁耗、初级轭部铁耗和次级轭部铁耗，计算式为：21.3Fet10/50tt21.3Fey10/50ay21.3Feb10/50bb()50()50()50fpPBWfpPBWsfpPBW(17)式中，P10/50为单位重量的铁耗率；Bt、Ba、Bb分别为初级齿部、初级轭部和次级轭部磁密；Wt、Wa、Wb为初级齿部，初级轭部和次级轭部铁的质量。6 运行特性计算由图 1 可知，直线感应电机等效电路的总阻抗为：s/rZZZZ(18)式中，Zs、Zm、Zr分别为初级、励磁和次级支路的阻抗。内功率因数为：学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CI173-20236rmrmRe/cos/ZZZZ(19)6.1 电流特性计算初级绕组电流、次级支路电流幅值分别为：ssUIZ(20)rmrsr/ZZIIZ(21)6.2 机械特性计算机械输出功率为：2rfrrr1()()sPmIK K s C s Rs(22)推力为：2PpFV(23)式中，p为杂散损耗，一般为机械输出功率为 0.5%。6.3 功率因数特性计算初级铜耗为：2cu1sspmI R(24)次级涡流损耗为：2cu2rfrr()()pmI K K s C s R(25)铁耗为：FeFetFeyFebpppp(26)输入有功功率为：incu1cu2FePPppp(27)总复功率为：ins s3SU I(28)功率因数为：inincosPS(29)学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CI173-202376.4 效率特性计算效率为：cu1cu2FePpPppp(30)6.5 法向力特性计算根据图 1 建立五区域次级直线感应电机模型，仅适用于图 1 所示直线感应电机结构，如图 3 所示，区域 1 为初级铁芯；区域 2 为气隙；区域 3 为次级导体；区域 4 为次级铁心；区域 5 为空气。行波电流层 J1位于区域 1 和区域 2 之间，变量2，3，4为每层材料的厚度。图 3 五区域次级直线感应电机模型根据材料的属性，区域 2、3 和 5 的磁导率为空气磁导率；区域 2 和 5 的电导率为 0；区域 1 和 4 因磁路饱和的影响，磁导率是变化的，根据B H求解。法向力为：20p22y12220e|1|4SkFHz (31)式中，2|z为气隙层表面阻抗；1|H为紧贴初级行波电流层的磁场强度切线分量的绝对值；Sp为初级有效面积。各区域的表面阻抗为：2e5jzk(32)4544444544tanhtanhzzzrzzzr(33)3433333433tanh()tanh()z zzrzzzr(34)学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CI173-202382322222322tanh()tanh()z zzrzzzr(35)式中，2z，3z，4z为气隙、次级导体和次级背铁的特性波阻抗，表达为：0e2jzk (36)0e32e03jjzks (37)4e42e44jjzks (38)式中，3，4为区域 3 和 4 的电导率；4为区域 4 的磁导率；系数2rk，23e03jrks ，24e44jrks 。紧贴次级行波电流层磁场强度切线分量的绝对值1|H为：1551|1|HkJ(39)55k为中间系数，表达为：1225 1255215 111225 12()()ttktttt(40)式中，111/jrk；510/jr；21e11jrk；11t，12t，21t，22t为中间变量，表达为：11124322122ttTTTTtt(41)式中，T2、T3、T4为每个区域的转移矩阵，表达为：1()()2,3,4).()(nnnnnnnnnnnch rsh rTnsh rch r(42)7 运行特性计算流程直线感应电机运行特性计算流程如图 4 所示，其他原始数据指激励源的电压、频率或电流、频率，电气量指等效电路模型中的电压、电流。具体流程如下：步骤 1输入电机结构参数及其他原始