青岛大学郑晓钦副教授团队：基于分布磁路法的非晶合金高速磁浮直线电机悬浮力计算

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非晶合金作为一种低损耗铁心材料，在高速电机中具有较好的应用前景。为探明非晶合金在高速磁浮直线电机中应用的可行性，青岛大学郑晓钦副教授团队针对常导型高速磁浮直线电机，采用一种改进的分布磁路法，对比计算了非晶合金和硅钢长定子磁浮直线电机静态悬浮力，通过实验验证了解析计算结果的准确性，以及非晶合金用于长定子高速磁浮直线电机的合理性。

研究背景

高速磁浮直线电机长定子沿高速磁浮轨道线路两侧敷设，为高速磁浮列车提供牵引力和悬浮力，是高速磁浮交通系统中的关键设备。采用软磁铁心的直线电机经过多年攻关，已完成了试验调试线研制和建设，具有厚实的技术积累和工业基础。

非晶合金材料的磁浮长定子直线电机属首次在高速磁浮交通系统中应用，有助于提供高速磁浮交通运营效率及整体竞争力。然而非晶合金材料的饱和磁密小于硅钢，非晶合金替代硅钢作为直线电机长定子铁心材料的可行性需要进行深入研究，尤其电机静态悬浮力是首要考虑的性能。

论文所解决的问题及意义

为准确计算非晶合金高速磁浮直线电机静态悬浮力，需要先对直线电机气隙磁密进行精确计算。本文将分布磁路法改进应用于高速磁浮直线电机磁场计算中，充分考虑了长定子与动子极距不等、动子极面直线发电机齿槽以及动子轭部不连续等特殊结构，物理概念清晰，在保证计算时间成本的同时，可以精确计算高速磁浮直线电机气隙磁密。

论文方法及创新点

（1）采用改进分布磁路法计算高速磁浮直线电机气隙磁密

为充分考虑长定子与动子极距不等、动子极面直线发电机齿槽以及动子轭部不连续等特殊结构，需要将磁路中各部分磁导率及磁压降进行分段表示，进而计算直线电机气隙磁密。计算流程如图1所示。

图1 计算流程图

为验证改进分布磁路法计算气隙磁密的准确性，本文采用原分布磁路法、改进分布磁路法以及有限元法对比计算了非晶合金高速磁浮直线电机中间八个极下的气隙磁密，如图2所示。

图2 高速磁浮直线电机气隙磁密

（2）高速磁浮直线电机静态悬浮力计算

基于改进分布磁路法分别计算了非晶合金和硅钢长定子直线电机气隙磁密，结合虚位移法，进一步计算得到两种材料直线电机的静态悬浮力。对比图3、4中解析计算、有限元仿真以及实验测量得到的不同励磁电流下直线电机静态悬浮力，验证了基于改进分布磁路法计算直线电机静态悬浮力具有较高的准确度。

图3 基于硅钢长定子的悬浮力计算结果以及实验验证

图4 基于非晶长定子的悬浮力计算结果以及实验验证

结论

为探究非晶合金取代硅钢作为高速磁浮直线电机长定子铁心材料的合理性，本文充分考虑到直线电机长定子与动子极距不等，长定子、动子和直线发电机的齿槽结构及分布特征等因素的影响，采用改进的分布磁路法分别计算非晶合金和硅钢两种材料下的气隙磁密，在此基础上结合虚位移法，对比计算两种材料长定子直线电机静态悬浮力，并通过有限元以及实验验证。

结果表明，采用改进的分布磁路法求得的高速磁浮直线电机气隙磁密具有较高的计算精度；对比硅钢和非晶合金两种长定子铁心材料直线电机的静态悬浮力，可以看出非晶合金长定子的悬浮力水平略低于硅钢长定子的悬浮力；但从应用需求看，非晶合金作为长定子铁心材料时的悬浮力依旧满足高速磁浮直线电机的要求。这也就证实了在高速磁浮直线电机静态悬浮力方面，非晶合金替代硅钢作为长定子铁心材料的可行性。

作者介绍

郑晓钦通讯作者，工学博士，副教授，青岛大学电气工程学院电机系主任，毕业于华中科技大学电气工程专业。长期从事舰船多相推进电机系统优化设计与控制、故障感知与容错运行等方面的研究。 主持国家自然科学基金面上项目、青年项目、国防预研基金、山东省自然科学基金等省部级项目及重要横向项目十余项，以合作单位负责人身份参与国家自然科学基金联合基金重点项目、青岛市自主创新重大专项各1项，参与国家自然科学基金重大项目、海军装备部综合电力系统技术国防项目等。发表SCI/EI论文30余篇，授权发明专利8项，入选ESI高被引论文2篇。在服务国防重大工程的同时，长期致力于将军用高新技术向民用高技术船舶和先进轨道交通等领域的转化。

本工作成果发表在2023年第14期《电工技术学报》，论文标题为“基于分布磁路法的非晶合金高速磁浮直线电机悬浮力计算”。本课题得到青岛市科技计划重点研发专项资助项目的支持。

引用本文

包木建, 孙玉玺, 陈春涛, 郑晓钦. 基于分布磁路法的非晶合金高速磁浮直线电机悬浮力计算[J]. 电工技术学报, 2023, 38(14): 3678-3688. Bao Mujian, Sun Yuxi, Chen Chuntao, Zheng Xiaoqin. Calculation of Suspension Force of Amorphous Alloy High-Speed Maglev Linear Motor Based on Distributed Magnetic Circuit Method. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(14): 3678-3688.

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