地铁车辆直线电机恒隙控制仿真

罗仁; 邬平波; 刘彬彬

doi:10.19818/j.cnki.1671-1637.2010.04.009

地铁车辆直线电机恒隙控制仿真

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2010.04.009

西南交通大学牵引动力国家重点实验室, 四川成都 610031

基金项目:

国家自然科学基金项目 50675181

牵引动力国家重点实验室自由探索自主研究课题 2008TPL_T02

详细信息

作者简介:
罗仁(1979-), 男, 四川德阳人, 西南交通大学讲师, 工学博士, 从事车辆系统动力学与控制研究

中图分类号: U270.11
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出版历程
- 收稿日期: 2010-03-10
- 刊出日期: 2010-08-25

Constant air gap control simulation of linear induction motor of metro vehicle

Traction Power State Key Laboratory, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan, China

More Information

Author Bio:
LUO Ren(1979-), male, lecturer, PhD, +86-28-86466085, luorenswjtu@tom.com

摘要

摘要: 为了研究直线电机悬挂方式对车辆动力学性能的影响, 以及通过主动悬挂以减小直线电机气隙变化和轮轨冲击力, 建立了基于多体动力学的地铁车辆仿真模型。采用经典电磁场理论建立了直线电机电磁力仿真模型, 以及机电作动器驱动的直线电机恒隙控制系统模型。采用数值仿真研究了直线电机恒隙控制方法及其对车辆动力学性能的影响。仿真结果表明: 直线电机采用架悬结构并选择大挠度的一系垂向弹簧时, 气隙变化主要是由载荷变化引起的, 变化频率很低, 易实现恒隙控制。恒隙控制可以保证车辆在不同荷载工况下满足气隙要求, 降低轮轨垂向作用力10 kN左右, 减小车体垂向平稳性指标0.1左右。车辆动力学性能较传统直线电机车辆得到改善, 并能提供平稳的牵引力。
- 地铁车辆 /
- 直线电机 /
- 恒隙控制 /
- 动力学仿真
Abstract: In order to research the influence of suspension types of linear induction motor(LIM)on the dynamics performance of vehicle system, and further decrease the air gap fluctuation of LIM and reduce wheel-rail impact by using active suspension, the multi-body dynamics model of metro vehicle was set up.The electromagnetic force model of LIM was built by using classical electromagnetic theory.The model of constant air gap control system with electromechanical actuator was established.The constant air gap control strategy and its influence on the vehicle's dynamics were studied by numerical simulation.Simulation result shows that the air gap change is mainly caused by the change of load when large-deflection primary suspension and LIM frame suspension are adopted, its frequency is very low, so the constant air gap control of LIM is easy to carry out.The control can guarantee that the vehicle meets the requirement of air gap under different load conditions, vertical wheel-rail interaction force reduces by about 10 kN, and the comfort index decreases by about 0.1.Moreover, the dynamics performance of the vehicle will be improved campared with traditional LIM vehicle, and its traction force is smoother.
- metro vehicle /
- linear induction motor /
- constant air gap control /
- dynamics simulation

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图 1 直线电机架悬

Figure 1. Frame suspension of LIM

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图 2 机电作动器控制模型

Figure 2. Control model of electromechanical actuator

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图 3 直线电机电磁力

Figure 3. Electromagnetic forces of LIM

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图 4 机电作动器的阶跃响应及伸长量与气隙的关系

Figure 4. Step response of electromechanical actuator and relationship of elongation and air gap

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图 5 LIM绝对垂向位移及气隙

Figure 5. Absolute vertical displacement and air gap of LIM

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图 6 计算方法

Figure 6. Computation method

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图 7 各种控制方式下的性能比较

Figure 7. Performance comparison under control methods

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图 8 作动器输出力与伸长量

Figure 8. Actuator force and elongation

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图 9 轮轨垂向力比较

Figure 9. Comparison of vertical wheel-rail forces

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表 1 LIM主要参数

Table 1. Main parameters of LIM

参数	数值	参数	数值
初级电压/V	1 100	极距/mm	192
频率/Hz	45	初级宽度/mm	250
初级电流/A	300	每极每相槽数	2
额定推力/kN	16	每相串联匝数	180
同步速度/(m·s^-1)	17	次级铝板厚度/mm	6
相数	3	次级铁轭厚度/mm	28
极数	6	额定气隙/mm	10

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表 2 气隙变化值比较

Table 2. Comparison of air gap change values

刚度方案	车速/(km·h^-1)	气隙变化值/mm
		工况1		工况2		工况3		工况4
		减小	增大	减小	增大	减小	增大	减小	增大
1	40	-4.24	0.27	-3.37	0.97	-3.21	1.41	-6.38	1.18
	60	-3.67	1.05	-3.40	1.19	-3.45	2.31	-4.94	2.16
	80	-3.43	1.76	-3.39	1.50	-3.64	2.54	-4.75	2.38
	100	-3.36	2.59	-3.35	1.72	-4.06	2.97	-4.37	3.27
2	40	-3.09	0.62	-2.84	1.28	-2.98	1.59	-4.76	1.53
	60	-2.87	1.60	-2.86	1.40	-3.26	2.15	-4.16	2.36
	80	-2.63	2.22	-2.89	1.62	-3.37	2.44	-3.44	2.70
	100	-2.60	2.88	-2.89	1.83	-3.69	2.76	-3.54	3.35
3	40	-2.39	1.14	-2.59	1.42	-2.82	1.70	-3.84	2.02
	60	-2.33	1.94	-2.61	1.53	-3.11	2.08	-3.56	2.50
	80	-2.11	2.51	-2.60	1.64	-3.26	2.37	-2.96	2.91
	100	-2.11	3.06	-2.58	1.67	-3.44	2.62	-3.03	3.40
4	40	-1.92	1.47	-2.45	1.52	-2.70	1.76	-3.24	2.32
	60	-1.95	2.17	-2.46	1.60	-2.99	2.04	-3.11	2.64
	80	-1.77	2.71	-2.44	1.67	-3.06	2.33	-2.65	3.05
	100	-1.79	3.20	-2.47	1.74	-3.26	2.53	-2.68	3.45
5	40	-1.58	1.69	-2.37	1.58	-2.60	1.79	-2.81	2.52
	60	-1.67	2.33	-2.37	1.64	-2.89	2.03	-2.77	2.76
	80	-1.54	2.86	-2.35	1.65	-2.98	2.30	-2.40	3.16
	100	-1.55	3.32	-2.39	1.77	-3.13	2.48	-2.41	3.50

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表 3 车体平稳性指标比较

Table 3. Comparison of riding indexes of carbody

刚度方案	车速/(km·h^-1)	工况1		工况2		工况3		工况4
刚度方案	车速/(km·h^-1)	横向	垂向	横向	垂向	横向	垂向	横向	垂向
1	40	1.52	1.59	1.65	1.67	1.56	1.60	1.52	1.61
	60	1.94	1.89	1.96	1.97	1.97	1.91	1.94	1.89
	80	2.27	2.09	2.27	2.21	2.30	2.13	2.27	2.09
	100	2.57	2.29	2.57	2.38	2.63	2.33	2.57	2.29
2	40	1.53	1.58	1.66	1.66	1.57	1.60	1.53	1.59
	60	1.94	1.90	1.96	1.96	1.97	1.91	1.94	1.89
	80	2.26	2.11	2.27	2.20	2.30	2.14	2.26	2.10
	100	2.56	2.31	2.54	2.41	2.62	2.34	2.56	2.30
3	40	1.55	1.57	1.66	1.66	1.60	1.61	1.55	1.58
	60	1.93	1.90	1.96	1.95	1.97	1.91	1.93	1.89
	80	2.26	2.11	2.27	2.19	2.29	2.14	2.26	2.11
	100	2.56	2.31	2.53	2.42	2.62	2.35	2.56	2.31
4	40	1.56	1.57	1.67	1.65	1.60	1.60	1.56	1.57
	60	1.93	1.91	1.96	1.95	1.96	1.90	1.93	1.89
	80	2.25	2.11	2.23	2.17	2.29	2.14	2.25	2.11
	100	2.55	2.32	2.52	2.41	2.61	2.35	2.56	2.32
5	40	1.56	1.57	1.67	1.65	1.61	1.60	1.56	1.58
	60	1.93	1.91	1.96	1.95	1.96	1.90	1.93	1.89
	80	2.25	2.11	2.21	2.18	2.29	2.14	2.25	2.11
	100	2.55	2.32	2.54	2.41	2.61	2.35	2.55	2.32

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