大气湍流对飞机颠簸的影响

王永忠

摘要: 利用具有6个自由度的飞机的运动方程,研究了大气湍流对飞机垂直过负荷的影响,推导了飞机在湍流大气中过负荷的传递函数,并分析了飞机对非定常湍流的反应.研究表明,在亚音速下,飞机飞行速度增大,飞机颠簸增强;在同样的气象条件和大气湍流强度下,小型飞机的颠簸比大型机剧烈.

关键词:

Abstract: Equations with 6-degree-of-freedom motion were used to study the effect of air turbulence on vertical overload of an airplane.The transfer function of overload as the airplane flying in turbulence was deduced,and the airplane response to non-stationary air turbulence was analyzed.The results show that,at a subsonic speed,airplane turbulence increases with an increase in flying speed,and that a smaller airplane is affected more fiercely than a bigger one under the same air turbulence and weather condition.

Key words:

1. 前　言

中低速磁浮列车由于噪声低、转弯半径小、线路设计灵活、经济性好等优势越来越受到各国的青睐^[1-3]，通常应用于机场接驳线、景区旅游环线、市内通勤线和城际交通线等^[4]. 直线感应电机（linear induction motor, LIM）结构简单、无需中间转换与传力装置、经济性好，常用于磁浮列车、地铁车辆以及电磁发射系统^[5]，因此中低速磁浮列车采用直线感应电机进行驱动.

在中低速磁浮列车中，LIM由有限长的初级绕组和无限长的次级感应轨组成，结构简单、造价低、便于维护. 然而，LIM存在一些不可避免的问题，例如法向吸力会增加悬浮系统的负担、效率低下使列车牵引耗能较大以及动态端部效应限制运行速度的提升^[6,7]. 为提高LIM的牵引性能和运行效率，学者们在初级绕组参数优化、次级结构优化、控制策略优化等方面进行了大量的研究. Mishima等^[8]通过优化初级绕组分布得到最佳气隙磁密分布，从而得到最优的推力效果. Lv等^[9-11]展开了帽形、梯缝形、V形和双梯缝形次级结构对电机牵引性能和运行效率的影响研究，研究结果表明：梯缝次级结构可减小横向力和边缘效应，是实现轨道车辆横向稳定的一种较好方法；V形次级可减少谐波分量，提高电机性能；非对称梯缝比对称梯缝次级结构更能有效的减小横向边端效应.邓江明等^[12,13]通过优化电机运行中的滑差频率得到较优的牵引力和法向力输出. Seo等^[14]通过有限元分析获得较低法向力对应的滑差频率范围，然后反映到控制算法中，从而实现电机的低法向力控制. Wang等^[15]通过动态调节d、q轴参考电流以及相应的闭环控制，将电机的输出推力移至峰值工作点附近，在不增加初级电流的情况下，提高LIM的牵引力. Han等^[16]提出了一种实时修改滑差频率和转矩电流的矢量控制策略和弱磁场控制方法，该方法使LIM能够克服高速时的推力衰减. 为减小大气隙、边端效应和谐波等因素引起的损耗问题，Xiao等^[17,18]建立了考虑电机损耗的控制模型，从而使电机的损耗为最小. Elmorshedy等^[19,20]建立了不同的控制模型，用以提高LIM的效率，减小推力波动，提高电机的瞬态性能.

通过上述研究，LIM的牵引效能和法向力问题均得到一定程度的改善. 在中低速磁浮列车的运用中，LIM沿纵向排列，首尾相邻^[21,22]. 在此运行环境下，LIM的纵向边端效应变化情况，及对电机电磁力的影响值得深入探讨. 在中低速磁浮列车中，电机初级开断，但次级板连续，次级感应涡流在电机相邻处必然相互干涉. 次级电流的相互干涉将改变电机的气隙磁场，而气隙磁场的改变将影响电机牵引力和法向力. 采用一维场理论对该问题进行研究表明，电机的边端效应等效系数会受到相邻电机的影响，从而影响电机的电压、电流和牵引力等指标^[23,24]. 一维场理论中电机气隙磁场只考虑垂向分量，未考虑纵向分量，因此不能计算电机法向力. 为检验一维场分析结果的正确性，深入掌握相邻电机的相互影响，改善电机的牵引性能和法向力问题. 本文基于二维电磁场理论对相邻电机各区域的矢量磁位和电磁场进行求解，对相邻电机纵向动态边端效应等效系数进行表征. 二维场理论中磁场考虑了垂向分量和纵向分量，可同时计算电机牵引力和法向力，从而深入分析间距和滑差频率对2种力的影响，提出改善电机牵引性能和法向力问题的措施.

2. 基于二维场理论的相邻电机电磁场分析

在中低速磁浮列车中，直线电机纵向排布，两两前后相邻，如图1所示. 为对实际应用中相邻两台电机电磁力特性进行分析，建立与之对应的二维场理论模型，如图2所示. 图中：L_dis为两段电流层的空间间距，L₁、L₂分别为电机LIM1、LIM2的长度，d为次级板厚度， $\delta$ 为电机气隙

图 1 中低速磁浮列车与直线电机

Figure 1. Medium and low speed maglev train and its linear motor

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图 2 二维场理论模型

Figure 2. Two-dimensional theoretical model

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引入矢量磁位的麦克斯韦方程组，如式（1）所示.

$\left\{ \begin{gathered} {\boldsymbol{B}} = \nabla {\boldsymbol{A}} , \\ {\boldsymbol{E}} = - \frac{{\partial {\boldsymbol{A}}}}{{\partial t}}, \\ \nabla \cdot {\boldsymbol{A}} = 0 , \\ {\nabla ^2}{\boldsymbol{{A}}} = {\mu _0}\sigma \left[ {\frac{{\partial {\boldsymbol{A}}}}{{\partial t}} - {{\boldsymbol{v}}_x} \nabla {\boldsymbol{A}}} \right] , \\ \end{gathered} \right.$

(1)

式中：B为磁通密度，A为矢量磁位，E为电场强度，μ₀为真空磁导率， $\sigma$ 为电导率，v_x为速度， $t$ 为时间， $\nabla$ 为微分算子， ${\nabla ^2}$ 为拉普拉斯算子.

为对理论模型进行求解，作如下假设：

假设1　气隙磁场只有x分量和z分量，即磁场不随横向（y方向）变化；

假设2　区域1为初级铁心，磁导率为 + ∞，电导率为0；

假设3　区域2为初级与次级之间的气隙，磁导率为 ${\mu }_{0}$ ，电导率为0；

假设4　区域3为次级铝板，磁导率为 ${\mu }_{0}$ ，电导率为 $\sigma$ ；

假设5　区域4为次级背铁，磁导率为 + ∞，电导率为0.

边界条件：1）区域1、2边界上有电流层 ${j}_{1}$ ；2）区域1、2边界上的磁感应强度法向分量相等；3）区域2、3边界上的磁场强度切向分量相等；4）区域2、3边界上的磁感应强度法向分量相等；5）区域3、4边界上的磁场强度切向分量相等；6）区域3、4边界上的磁感应强度法向分量相等.

初级电流层 ${{{j}}}_{1}$ 由两部分组成，如式（2）所示.

${j_1} = \left\{ \begin{gathered} 0 ， \quad {x < 0，} \\ {J_1}{e^{{\text{j}}(\omega t - kx)}}， \quad{0 \leqslant x \leqslant {L_1}}， \\ 0，\quad {{L_1} < x < {L_1} + {\mathrm{dis}}，} \\ {J_2}{e^{{\text{j}}\left[ {\omega t - k\left( {x - {L_1} - {\mathrm{dis}}} \right) - \varphi } \right]}}， {{{L_1} +{\mathrm{ dis}} \leqslant x \leqslant {L_1} + {L_2} + {\mathrm{dis}}}}， \\ 0 ，\quad{ {x > {L_2} + {\mathrm{dis}}}}， \\ \end{gathered} \right.$

(2)

式中： ${J}_{1}、{J}_{2}$ 分别为LIM1和LIM2电流密度幅值； ${L_1}$ 、 ${L_2}$ 分别为电机LIM1和LIM2的长度； $\omega$ 为角速度； $\varphi$ 为相位差；x为纵向坐标 $k=\text{π} /\tau$ ， $\tau$ 为电机极距.

基于式（1）中矢量磁位的一般电磁场方程可得二维场条件下各区域矢量磁位，如式（3）所示

$\left\{ \begin{gathered} \dfrac{{{\partial ^2}{A_1}}}{{\partial {x^2}}} + \dfrac{{{\partial ^2}{A_1}}}{{\partial {{\textit{z}}^2}}} = 0 ， \\ \dfrac{{{\partial ^2}{A_2}}}{{\partial {x^2}}} + \dfrac{{{\partial ^2}{A_2}}}{{\partial {{\textit{z}}^2}}} = 0， \\ \dfrac{{{\partial ^2}{A_3}}}{{\partial {x^2}}} + \dfrac{{{\partial ^2}{A_3}}}{{\partial {{\textit{z}}^2}}} = {\mu _0}\sigma \left( {\dfrac{{\partial {A_3}}}{{\partial t}} + {v_x}\dfrac{{\partial {A_3}}}{{\partial x}}} \right) ， \\ \dfrac{{{\partial ^2}{A_4}}}{{\partial {x^2}}} + \dfrac{{{\partial ^2}{A_4}}}{{\partial {{\textit{z}}^2}}} = 0 ， \\ \end{gathered} \right.$

(3)

式中：A_i为区域 $i$ 的矢量磁位， $i = 1,2,3,4$ ；z为垂向坐标.

利用边界条件对各区域矢量磁位进行求解，可得各区域矢量磁位分布. 具体求解过程请参考文献[25]，限于论文篇幅，此处不作详细介绍. 由气隙区域矢量磁位可得垂、纵向气隙磁场，如式（4）～（13）所示.

${B_{2{\textit{z}}}} = \left\{ \begin{gathered} \frac{{ - {\text{i}}{\xi _2}{\mu _0}({B_{A2}} - {B_{B2}} + {B_{C2}} - {B_{D2}})}}{{{\xi _2}\left( {k + {\xi _2}} \right)}}\frac{{{G_2}\left( {{\xi _2},{\textit{z}}} \right)}}{{{H^{'}}\left( {{\xi _2}} \right)}}\begin{array}{*{20}{c}} ,&{x < 0} \end{array}, \\ - \frac{{{\text{i}}{\xi _1}{\mu _0}{B_{A1}}}}{{{\xi _1}\left( {k + {\xi _1}} \right)}}\frac{{{G_2}\left( {{\xi _1},{\textit{z}}} \right)}}{{{H^{'}}\left( {{\xi _1}} \right)}} + \frac{{{\text{i}}k{\mu _0}{J_1}{{\text{e}}^{ - {\text{i}}kx}}}}{{ - k}}\frac{{{G_2}\left( { - k,{\textit{z}}} \right)}}{{H\left( { - k} \right)}} - \frac{{{\text{i}}{\xi _2}{\mu _0}( - {B_{B2}} + {B_{C2}} - {B_{D2}})}}{{{\xi _2}\left( {k + {\xi _2}} \right)}}\frac{{{G_2}\left( {{\xi _2},{\textit{z}}} \right)}}{{{H^{'}}\left( {{\xi _2}} \right)}}\begin{array}{*{20}{c}} ,&{0 < x < {L_1},} \end{array} \\ - \frac{{{\text{i}}{\xi _1}{\mu _0}({B_{A1}} - {B_{B1}})}}{{{\xi _1}\left( {k + {\xi _1}} \right)}}\frac{{{G_2}\left( {{\xi _1},{\textit{z}}} \right)}}{{{H^{'}}\left( {{\xi _1}} \right)}} - \frac{{{\text{i}}{\xi _2}{\mu _0}({B_{C2}} - {B_{D2}})}}{{{\xi _2}\left( {k + {\xi _2}} \right)}}\frac{{{G_2}\left( {{\xi _2},{\textit{z}}} \right)}}{{{H^{'}}\left( {{\xi _2}} \right)}}\begin{array}{*{20}{c}} ,&{{L_1} < x < {L_1} + {L_{dis}},} \end{array} \\ - \frac{{{\text{i}}{\xi _1}{\mu _0}({B_{A1}} - {B_{B1}} + {B_{C1}})}}{{{\xi _1}\left( {k + {\xi _1}} \right)}}\frac{{{G_2}\left( {{\xi _1},{\textit{z}}} \right)}}{{{H^{'}}\left( {{\xi _1}} \right)}} + \frac{{{\text{i}}k{\mu _0}{J_2}{{\text{e}}^{{\text{i}}k\left( {{L_{dis}} + {L_1}} \right) - {\text{i}}\varphi }}{{\text{e}}^{ - {\text{i}}kx}}}}{{ - k}}\frac{{{G_2}\left( { - k,{\textit{z}}} \right)}}{{H\left( { - k} \right)}} + \\ \quad \frac{{{\text{i}}{\xi _2}{\mu _0}{B_{D2}}}}{{{\xi _2}\left( {k + {\xi _2}} \right)}}\frac{{{G_2}\left( {{\xi _2},{\textit{z}}} \right)}}{{{H^{'}}\left( {{\xi _2}} \right)}}\begin{array}{*{20}{c}} ,&{{L_1} + {L_{dis}} < x < {L_1} + {L_2} + {L_{dis}},} \end{array} \\ - \frac{{{\text{i}}{\xi _1}{\mu _0}({B_{A1}} - {B_{B1}} + {B_{C1}} - {B_{D1}})}}{{{\xi _1}\left( {k + {\xi _1}} \right)}}\frac{{{G_2}\left( {{\xi _1},{\textit{z}}} \right)}}{{{H^{'}}\left( {{\xi _1}} \right)}}\begin{array}{*{20}{c}} ,&{x > {L_1} + {L_2} + {L_{dis}},} \end{array} \\ \end{gathered} \right.$

(4)

${B}_{2x}=\left\{\begin{array}{l}\dfrac{{\mu }_{0}\left[{B}_{A2}-{B}_{B2} + {B}_{C2}-{B}_{F2}{\left(2x-{L}_{dis}-{L}_{1}-{L}_{2}\right)}^{-1}\right]}{{\xi }_{2}\left(k + {\xi }_{2}\right)}\dfrac{{G}_{2}{}^{\text{'}}\left({\xi }_{2},{\textit{z}}\right)}{{H}^{\text{'}}\left({\xi }_{2}\right)}\begin{array}{cc},& x < 0,\end{array}\\ \dfrac{{\mu }_{0}{B}_{A1}}{{\xi }_{1}\left(k + {\xi }_{1}\right)}\dfrac{{G}_{2}{}^{\text{'}}\left({\xi }_{1},{\textit{z}}\right)}{{H}^{\text{'}}\left({\xi }_{1}\right)} + \dfrac{{\mu }_{0}{J}_{1}{\text{e}}^{-\text{i}kx}}{-k}\dfrac{{G}_{2}{}^{\text{'}}\left(-k,{\textit{z}}\right)}{H\left(-k\right)} + \dfrac{{\mu }_{0}\left[-{B}_{B2} + {B}_{C2}-{B}_{D2}{\left(2x-{L}_{dis}-{L}_{1}-{L}_{2}\right)}^{-1}\right]}{{\xi }_{2}\left(k + {\xi }_{2}\right)}\\ \dfrac{{G}_{2}{}^{\text{'}}\left({\xi }_{2},{\textit{z}}\right)}{{H}^{\text{'}}\left({\xi }_{2}\right)}\begin{array}{cc},& 0 < x < {L}_{1}\end{array},\\ \quad \dfrac{{\mu }_{0}({B}_{A1}-{B}_{B1})}{{\xi }_{1}\left(k + {\xi }_{1}\right)}\dfrac{{G}_{2}{}^{\text{'}}\left({\xi }_{1},{\textit{z}}\right)}{{H}^{\text{'}}\left({\xi }_{1}\right)} + \dfrac{{\mu }_{0}\left[{B}_{C2}-{B}_{D2}{\left(2x-{L}_{dis}-{L}_{1}-{L}_{2}\right)}^{-1}\right]}{{\xi }_{2}\left(k + {\xi }_{2}\right)}\dfrac{{G}_{2}{}^{\text{'}}\left({\xi }_{2},{\textit{z}}\right)}{{H}^{\text{'}}\left({\xi }_{2}\right)}\begin{array}{cc},& {L}_{1} < x < {L}_{1} + {L}_{dis}\end{array},\\ \dfrac{{\mu }_{0}({B}_{A1}-{B}_{B1} + {B}_{C1})}{{\xi }_{1}\left(k + {\xi }_{1}\right)}\dfrac{{G}_{2}{}^{\text{'}}\left({\xi }_{1},{\textit{z}}\right)}{{H}^{\text{'}}\left({\xi }_{1}\right)} + \dfrac{{\mu }_{0}{J}_{2}{\text{e}}^{\text{i}k\left({L}_{dis} + {L}_{1}\right)-\text{i}\phi }{\text{e}}^{-\text{i}kx}}{-k}\dfrac{{G}_{2}{}^{\text{'}}\left(-k,{\textit{z}}\right){\left(2x-dis-{L}_{1}-{L}_{2}\right)}^{-1}}{H\left(-k\right)}-\\ \quad \dfrac{{\mu }_{0}{B}_{F2}}{{\xi }_{2}\left(k + {\xi }_{2}\right)}\dfrac{{G}_{2}{}^{\text{'}}\left({\xi }_{2},{\textit{z}}\right)}{{H}^{\text{'}}\left({\xi }_{2}\right)}\text{，}{L}_{1} + {L}_{dis} < x < {L}_{1} + {L}_{2} + {L}_{dis},\\ \dfrac{{\mu }_{0}\left[{B}_{A1}-{B}_{B1} + {B}_{C1}-{B}_{D1}{\left(2x-{L}_{dis}-{L}_{1}-{L}_{2}\right)}^{-1}\right]}{{\xi }_{1}\left(k + {\xi }_{1}\right)}\dfrac{{G}_{2}{}^{\text{'}}\left({\xi }_{1},{\textit{z}}\right)}{{H}^{\text{'}}\left({\xi }_{1}\right)}\begin{array}{cc},& x > {L}_{1} + {L}_{2} + {L}_{dis}\end{array},\end{array}\right.$

(5)

${B_{Am}} = {J_1}{{\text{e}}^{{\text{i}}{\xi _m}x}}\begin{array}{*{20}{c}} ,&{m = 1,2} \end{array},$

(6)

${B_{Bm}} = {J_1}{{\text{e}}^{{\text{i}}{\xi _m}\left( {x - {L_1}} \right)}}{{\text{e}}^{ - {\text{i}}{L_1}k}},$

(7)

${B_{Cm}} = {J_2}{{\text{e}}^{{\text{i}}k\left( {{L_{dis}} + {L_1}} \right) - {\text{i}}\varphi }}{{\text{e}}^{ - {\text{i}}\left( {{L_{dis}} + {L_1}} \right)k}}{{\text{e}}^{{\text{i}}{\xi _m}\left( {x - {L_{dis}} - {L_1}} \right)}},$

(8)

$\begin{split} & {B_{Dm}} = {J_2}\left( {2x - {L_{dis}} - {L_1} - {L_2}} \right){{\text{e}}^{{\text{i}}k\left( {{L_{dis}} + {L_1}} \right) - {\text{i}}\varphi }} \times \\& \quad {{\text{e}}^{ - {\text{i}}\left( {{L_{dis}} + {L_1} + {L_2}} \right)k}}{{\text{e}}^{{\text{i}}{\xi _m}x\left( {x - {L_{dis}} - {L_1} - {L_2}} \right)}}, \\ \end{split}$

(9)

$H\left( {{\xi _m}} \right) = \left( { - 1 + {{\text{e}}^{2\delta {\xi _m}}}} \right){\xi _m} + \left( {1 + {{\text{e}}^{2\delta {\xi _m}}}} \right){r_m}\tanh (d \cdot {r_m}) \text{，}$

(10)

$\begin{split} & {G_2}\left( {{\xi _m},{\textit{z}}} \right) = \left[ \left( {{{\text{e}}^{2d{\xi _m}}} + {{\text{e}}^{2{\textit{z}}{\xi _m}}}} \right){\xi _m} - \left( {{{\text{e}}^{2d{\xi _m}}} - {{\text{e}}^{2{\textit{z}}{\xi _m}}}} \right)\right. \\ & \left. \quad {r_m}\tanh (d{r_m}) \right] \times {{\text{e}}^{ - \left( {d + {\textit{z}} - \delta } \right){\xi _m}}}, \\ \end{split}$

(11)

$\begin{split} & {\xi _1} = \left( { - \sqrt { -4{\text{i}}d\left( {d + \delta } \right)\sigma \omega {\mu _0} - {d^2}{\sigma ^2}v_x^2\mu _0^2} - {\text{i}}d\sigma {v_x}{\mu _0}} \right) \times \\ &\quad \frac{1}{{2\left( {d + \delta } \right)}}, \end{split}$

(12)

$\begin{split} & {\xi _2} = \left( { - {\text{i}}d\sigma {v_x}{\mu _0} + \sqrt { - 4{\text{i}}d\left( {d + \delta } \right)\sigma \omega {\mu _0} - {d^2}{\sigma ^2}v_x^2\mu _0^2} } \right) \times \\& \quad \frac{1}{{2\left( {d + \delta } \right)}}, \end{split}$

(13)

${r_m}^2 = {\xi _m}^2 + {\text{j}}{\mu _0}\sigma \omega + {\text{j}}{\mu _0}\sigma {v_x}{\xi _m}$

式中：B_ix为区域i纵向气隙磁场，B_iz为区域i垂向气隙磁场；

由气隙磁场表达式可见，LIM2的初级电流幅值、相位以及2台电机间距等因素将影响LIM1出口端边端效应引起的逆向行波，LIM1的初级电流和电机间距等将影响LIM2入口端边端效应引起的正向行波. 由此可见，2台相邻电机气隙磁场相互影响，而气隙磁场的改变必将导致电机电磁力的变化.

基于两电机初级电流分布及二维场理论分析得到的气隙磁场分布，可得两相邻电机的牵引力表达式，如式（14）～（15）所示.法向力表达式，如式（16）～（17）所示.

${F_{Fx}} = 2a\int_0^{{L_1}} {{Re} \left[ {{j_1}\left( {x,t} \right)} \right]} {Re} \left[ {{B_{2{\textit{z}}}}\left( {x,\delta + d,t} \right)} \right]dx，$

(14)

${F_{Bx}} = 2a\int_{{L_1} + {\mathrm{dis}}}^{{L_1} + {\mathrm{dis}} + {L_2}} {{Re} \left[ {{j_1}\left( {x,t} \right)} \right]} {Re} \left[ {{B_{2{\textit{z}}}}\left( {x,\delta + d,t} \right)} \right]dx ，$

(15)

$\begin{split} & {F_{F{\textit{z}}}} = \frac{{2a}}{{{\mu _0}}}\int_0^{{L_1}} {{Re} {{\left[ {{B_{2{\textit{z}}}}\left( {x,\delta + d,t} \right)} \right]}^2}} dx + \\& \quad a\int_0^{{L_1}} {{Re} \left[ {{j_1}\left( {x,t} \right)} \right]} {Re} \left[ {{B_{2x}}\left( {x,\delta + d,t} \right)} \right]dx ， \\[-1pt]\end{split}$

(16)

$\begin{split} & {F_{B{\text{{\textit{z}}}}}} = \frac{{2a}}{{{\mu _0}}}\int_{{L_1} + {\mathrm{dis}}}^{{L_1} + {\mathrm{dis}} + {L_2}} {{Re} {{\left[ {{B_{2{\textit{z}}}}\left( {x,\delta + d,t} \right)} \right]}^2}} dx + \\& \quad a\int_{{L_1} + {\mathrm{dis}}}^{{L_1} + {\mathrm{dis}} + {L_2}} {{Re} \left[ {{j_1}\left( {x,t} \right)} \right]} {Re} \left[ {{B_{2x}}\left( {x,\delta + d,t} \right)} \right]dx , \end{split}$

(17)

式中：2a为电机初级铁芯宽度； ${F}_{Fx}$ 为前一台电机牵引力； ${F}_{Bx}$ 为后一台电机牵引力； ${F}_{F{\textit{z}}}$ 为前一台电机法向力； ${F}_{B{\textit{z}}}$ 为后一台电机法向力.

3. 模型检验

目前尚未搭建可进行2台直线电机运转的试验台，因此无法用试验结果对理论模型中LIM2电磁力变化进行直接检验. 但前期工作中搭建了单台电机试验台，并基于上述理论建立单台电机理论模型，该理论模型已在文献[13]中利用试验数据进行验证，证明了理论计算方法的正确性. 此外，本文建立了2台相邻电机有限元模型对理论模型进行检验. 由于计算工况较多，越大的有限元模型耗时越长，本节采用的电机极数为4极，即电机长度为表1电机的1/3，其余结构参数与表1一致. 模型仿真速度为100 km/h，相电流为400 A，滑差频率为12 Hz. 图3（a）所示为不同时刻模型的状态，当t=0时，电机在右端初始位置；随着时间的推移，2台电机运行到左端. 图3（b）所示为电机相邻位置的磁密云图（①）和磁力线图（②），可以看到，由于电机初级的断开，初级部分的磁场并不连续，而次级板上的磁场是连续的. 在相邻位置的次级感应板上，LIM1尾端磁场离开产生的涡流和LIM2前端磁场进入产生的涡流相互干涉，从而影响次级及气隙磁场的分布，这是导致2台电机电磁力不同的根本原因.

表 1 电机参数

Table 1. Motor parameter

名称	大小	名称	大小
电机长度/mm	2850	电机容量/(kV•A)	250
电机宽度/mm	220	额定相电压/V	212
极数/极	12	额定相电流/A	400
极距/mm	220	气隙/mm	10
相数	3	滑差频率/Hz	12
每极每相槽数	3	单相有效串联匝数/匝	72
次级板电阻率/ （Ω•m）	2.83×10⁻⁸	次级板厚/mm	4

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图 3 仿真模型及云图

Figure 3. Simulation model and cloud diagram: （a） positions of motors at different time; （b） magnetic density and magnetic field lines for adjacent positions

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分别采用理论模型和仿真模型对采用不同间距的2台电机牵引力进行计算，图4为计算结果，可以发现牵引力随间距的变化趋势一致，只是幅值有所差异. 幅值的差异是因为理论计算中对铁芯和背铁的磁导率考虑为无穷大，且未考虑磁饱和，因此理论计算结果稍大于仿真值. 由于搭建的理论模型和仿真模型均沿X轴负向运动，所以得到的牵引力也为负值. 由图可见，LIM1牵引力受间距影响较小，LIM2牵引力随间距变化而波动，时而大于LIM1，时而小于LIM1；且间距越小，LIM2牵引力波动幅度越大. 合理的间距可有效提高LIM2的牵引力，而不合理的间距将大幅减小LIM2的牵引力.

图 4 牵引力-间距曲线

Figure 4. Traction force–spacing curves

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4. 滑差频率与间距对LIM1和LIM2电磁力的影响

本节分析中电机结构参数如表1所示，图5为滑差频率分别为8、10和12 Hz时2台电机牵引力与间距的关系曲线. 由图可见，LIM1牵引力几乎不受间距的影响，不同滑差频率下变化也较小，这是因为3种滑差频率下电机的运行速度和输入电流相同，所以差异较小. 而对于LIM2，滑差频率越小，其牵引力受间距影响越大. 随着间距的增大，不同滑差频率下LIM2牵引力波动幅度均减小. 当滑差频率为8 Hz，间距为1.5倍极距时，LIM2的牵引力为8.4 kN，是LIM1牵引力4.6 kN的1.83倍，增加了83%；当间距为0.6倍极距时，LIM2的牵引力为0.6 kN，是LIM1牵引力的13%，削弱了87%. 由此可见，间距的设计对LIM2牵引性能的发挥至关重要.

图 5 不同滑差频率下电机牵引力-间距曲线

Figure 5. Traction force–spacing curves under different slip frequencies

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图6为不同滑差频率下2台电机法向力随间距的变化曲线. 由图可见，滑差频率越小，LIM1法向力越大，但不同滑差频率下LIM1法向力几乎不受间距的影响. 然而，LIM2法向力在不同滑差频率下随间距的变化波动，间距和滑差频率越小，LIM2法向力受影响越大. 合理的间距设计可使LIM2法向力得到有效降低，更利于磁浮车辆的稳定运行. 当滑差频率为8 Hz、间距为2.1倍极距时，LIM2法向力为1 kN，比LIM1法向力7.6 kN减小了6.6 kN，即单台电机为悬浮系统减轻了660 kg的重量；当间距为1.2倍极距时，LIM2法向力为28.2 kN，是LIM1法向力的3.7倍，增大了270%，即一台电机给悬浮系统额外增加了约2吨的负担. 此外，LIM2法向力和牵引力在不同滑差频率下随间距的变化步调并不一致，即不同工况、不同需求下电机的较佳间距并不相同，所以电机间距和滑差频率的选择应综合考虑车辆的悬浮能力和牵引力需求.

图 6 不同滑差频率下电机法向力-间距曲线

Figure 6. Normal force–spacing curves under different slip frequencies

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5. 气隙磁场分析

从上述分析可得，当滑差频率为8 Hz、间距为0.6倍极距时，LIM2牵引力取得最小值；间距为1.5倍极距时，LIM2牵引力取得最大值. LIM2法向力在间距为2.1倍极距时取得最小值，在间距为1.2倍极距时取得最大值. 为探清LIM2电磁力受间距影响的内因，对不同工况下的气隙磁场进行分析.

图7所示为上述4种间距条件下相邻2台电机的气隙磁场分布. 由图可见，不同间距下LIM1的气隙磁场基本不变，LIM2的气隙磁场有微小变化，所以间距对相邻电机纵向气隙磁场的影响较小.

图 7 不同间距条件下的电机纵向气隙磁密

Figure 7. Magnetic flux density of longitudinal air gap under different spacings

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间距分别为0.6和1.5倍极距下2台电机的垂向气隙磁密如图8所示. 由图可见，2种间距条件下LIM1的垂向气隙磁密无显著变化，且其前端垂向气隙磁密受边端效应影响被大幅削弱. 当间距为0.6倍极距时，LIM2的前端垂向气隙磁密也被大幅削弱；而间距为1.5倍极距时，LIM2前端垂向气隙磁密几乎不受边端效应的影响. 间距为1.5倍极距时，LIM2垂向气隙磁密明显强于间距为0.6倍极距时，而电机牵引力由垂向气隙磁密与初级电流相互作用产生，所以间距为1.5倍极距时的牵引力大于间距为0.6倍极距时.

图 8 间距为0.6和1.5倍极距时电机的垂向气隙磁场

Figure 8. Vertical air gap magnetic field at a spacing of 0.6 and 1.5 times pole pitch

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电机的法向力由两部分组成，一部分为初级铁芯与次级背铁的吸力，另一部分为电机运行过程中形成的斥力. 吸力主要取决于垂向气隙磁场，斥力主要取决于纵向气隙磁场. 而纵向气隙磁场在不同间距下的分布差异较小，所以引起电机法向力变化的主要部分是吸力，即主要受垂向气隙磁场的影响. 电机法向力在间距为1.2和2.1倍极距时分别取得最大值和最小值，图9所示为2种间距条件下2台电机的垂向气隙磁密分布. 由图可见，间距为1.2倍极距时，LIM2垂向气隙磁密远大于间距为2.1倍极距时的垂向气隙磁密，且远大于LIM1的垂向气隙磁密，这使得该间距下LIM2的法向力远大于LIM1和2.1倍极距下的LIM2.

图 9 间距为1.2和2.1倍极距时电机的垂向气隙磁场

Figure 9. Vertical air gap magnetic field at a spacing of 1.2 and 2.1 times pole pitch

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6. 结　论

基于二维电磁场理论，本文对短定子直线感应电机在中低速磁浮应用中出现的相邻电机磁场干涉问题进行了深入研究，主要结论如下：

1） LIM1出口端边端效应引起的逆向行波受LIM2初级电流、滑差频率、电机间距等因素的影响，LIM2入口端边端效应引起的正向行波受LIM1参数及间距的影响，所以直线电机气隙磁场会受到相邻电机的影响而发生改变.

2）由于出口端引起的逆向行波对电机影响较小，而入口端引起的正向行波对电机影响较大，所以LIM1电磁力受LIM2影响较小，而LIM2电磁力受LIM1影响显著. LIM2牵引力和法向力均随间距的变化而波动；间距越小，波动幅度越大.

3）合理的间距设计可显著提高LIM2牵引性能，减小其法向力；当滑差频率为8 Hz、速度为160 km/h、电流为400 A时，LIM2牵引力最大可增加83%，法向力最大可减小6.6 kN. 但是，牵引力和法向力对应的较优间距并不一致，实际工程中，电机间距的设计需综合考虑车辆的牵引需求和悬浮能力.

4）由于直线电机理论推导过程复杂、涉及参数众多，在进行数学求解时不得不作必要的理想假设和条件简化，所以上述量化结果仅供参考. 本文结果基于二维电磁场理论获得，读者可继续探讨基于三维场理论的相邻电机电磁力变化特性，获得更为精确的结果.

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