学术简报｜高温超导运动磁场电磁Halbach初级结构直线感应磁悬浮电机

摘要

北京交通大学电气工程学院、北京交通大学电子信息工程学院的研究人员秦伟、范瑜等，在2018年第23期《电工技术学报》上撰文，提出一种高温超导运动磁场电磁Halbach初级结构的直线感应磁悬浮电机，该电机通过在初级高温超导电磁Halbach绕组中通入三相交变电流产生运动的交变磁场，与其在次级导体中感应出的涡流磁场相互作用产生悬浮力和推进力。

介绍了该电机的结构和原理，利用矢量磁位和边界条件对电磁Halbach阵列所产生的磁场进行解析计算，得到电机各部分磁通密度的表达式，建立电机的数学模型。通过研究分析，设计制造了一台铜绕组样机进行相关实验研究，验证解析计算的合理性。

磁悬浮列车是一种新型地面无接触高速交通运输工具，其具有无污染、噪声小、能耗低、易维护、安全性高等特点。电动式悬浮装置是通过车载磁体在导体轨道中感应出涡流实现悬浮和导向的，相对于其他形式的磁悬浮列车，其结构简单、悬浮气隙大、造价低，可以同时应用于市内和城际交通，同时它并不需要复杂的闭环控制，因此将是磁悬浮发展的重要方向之一。

目前国外正在应用和研究的电动式磁悬浮方案各具特色，通过研究国内外现有电动式磁悬浮方案，本文提出了能够同时产生悬浮力和推进力的高温超导运动磁场电磁Halbach初级结构的直线感应磁悬浮电机。

相对于其他主要的磁悬浮方案，该方案有如下特点：

1）相对于以日本九州大学的藤井教授提出的立式永磁磁轮方案和美国威斯康星大学的T. A. Lipo 教授提出的卧式磁轮方案为代表的永磁磁轮方案，该设计不存在机械旋转机构，可以避免机械损耗、机械振动和陀螺仪效应；不存在永磁体安装问题和掉落危险。

2）相对于日本超导磁悬浮方案，该方案气隙磁场相对初级做运动，在初级静止的情况下也能够产生悬浮力，避免了日本超导磁悬浮在静止时不产生悬浮力，需要支撑的问题。

3）相对于常导有铁心和超导有铁心的电磁电动式磁悬浮方案，该方案电机初级没有铁心，可发挥超导电机的通大电流产生强磁场的优势，从而能够提供更大的浮重比，为电机实现整体悬浮提供可能。由于常导线圈载流能力有限而使得常导带铁心的电磁悬浮系统浮重比较小；超导带铁心的电动式磁悬浮系统由于铁心磁通饱和的影响，造成电机的磁场不能太大，系统的浮重比较小，因此无法实现整体悬浮。

本文采用基于傅里叶分解的磁场分析方法，利用矢量磁位和边界条件对电机的电磁关系进行了解析分析，得到悬浮力、推进力以及浮重比的解析表达式。经过理论分析提出了高温超导运动磁场电磁Halbach阵列，在数学和仿真实验两个方面给出证明：运动磁场电磁Halbach阵列能够在气隙中产生行波磁场；能够使得阵列其中一侧的磁场得到加强，另外一侧的磁场减弱，从而能够使得气隙磁场得到加强的同时可有效防止磁场向空间辐射。

图1  无铁心高温超导感应悬浮电机的截面图

图13  实验铜绕组直线感应悬浮电机

结论

1）本文提出了一种高温超导直线感应磁悬浮电机，电机初级绕组为运动磁场电磁Halbach阵列，次级为铝导体板。

2）采用基于傅里叶分解的方法，利用矢量磁位和边界条件对电机的磁场进行了解析分析，获得气隙磁场的表达式，并通过有限元仿真对解析结果进行了验证。

3）在解析的基础上，设计制作了一台铜绕组样机，并对样机进行了实验，测量了样机的静态悬浮力，通过对比实验结果和仿真结果，验证了解析的合理性和运动磁场电磁Halbach 阵列的优越。

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