ارزیابی عملکرد یک موتور القایی خطی HTS یک طرفه کم سرعت برای سیستم مترو

به خاطر ویژگیهای مهم و حساس و پدیده پین گذاری (پین کردن) شار مغناطیسی مواد ابررسانای پردما (HTS)، محاسبه الکترومغناطیسی موتور HTS، پیچیده تر از موتورهای متداول است. دراین مقاله، برای نشان دادن ویژگیهای مهم و پدیده پین گذاری شار مغناطیسی،  رسانایی الکتریکی معادل و نفوذپذیری مغناطیسی معادل پیشنهاد شده است. با درنظر گرفتن موتور القایی خطی HTS سمت فشار ضعیف کم دور به عنوان یک مثال، مدل ریاضی 2 بعدی ساخته شده و شرایط مرزی اش داده شده است.  این مدل با استفاده از روش المان محدود گام زمانی حل می شود. توزیع چگالی شار و پارامترهای عملکرد، نظیر نیروی پیشرانه محوری، نیروی عمودی، تلفات جریان گردابی، ضریب توان و غیره بدست می آید. به علاوه، چگالی شار مغناطیسی اطراف سیم پیچ های HTS نیز برای ارزیابی تاثیر شار مغناطیسی نشت بر جریان بحرانی محاسبه می شود. بالاخره، برای ارزیابی صحت مدل ساخته شده، آزمایش انجام می شود.

1. مقدمه 

موتور القایی خطی (LIM) از موتور القایی دوار (RIM) بدست می آید. به جای تولید گشتاور چرخش، در امتداد جهت حرکت، نیروی خطی تولید می کند. بنابراین، موتورالقایی خطی می تواند خودروهای چرخ دار را با چسبندگی مستقل چرخ- ریل به حرکت درآورد. بنابراین، LIM، در سیستم حمل و نقل کاربردهای وسیعی دارد. در کاربردهای سرعت زیاد (دور زیاد)، تامین قدرت الکتریکی سخت و دشوار می باشد. بنابراین، LIM با ثانویه کوتاه (روتور درRIM) و اولیه بلند ( استاتور  درRIM) به عنوان محرکه های خودرو توسعه می یابند.هزینه های ساخت سیستم حمل و نقل بسیار بالا و نیازهای تکنیک کنترل، به خاطر ساختار LIM اولیه بلند، پیچیده و سخت می باشد. در کاربردهای کم دور، نظیر سیستم مترو، ازتامین قدرت توسط سیستم زنجیره ای پانتوگراف و ریل سوم طی سالیان متمادی استفاده شده است. این منبع تغذیه می تواند نیازهای LIM با اولیه کوتاه را تامین نماید.بنابراین، هزینه های ساخت سیستم مترو به حرکت درآمده با LIM ثانویه کوتاه، به طور چشمگیری کاهش می یابد. به علاوه، LIM ثانویه با بازسازی مسیرهای ذاتی بدون نیاز به ساخت مسیرهای جدید توسعه می یابد که این امر هزینه های ساخت سیستم حمل و نقل را بیشتر کاهش می دهد. بنابراین، LIM با اولیه کوتاه، درمقایسه با LIM با اولیه بلند، در سیستم حمل نقل، مثلاً در متروخطی ژاپن، سپس قطار سبک Vancouver در کانادا، و خط متروی 4   و     کاربردهای وسیع تری داشته است. در مقایسه با متروی به حرکت درآمده توسط موتورهای دوار متداول، متروی به حرکت درآمده توسط LIM دارای مزایای زیر می باشد: 1) با پائین آوردن ارتفاع تونل، هزینه ها را می توان به میزان زیادی کاهش داد و2) دایره دور زدن کوچک مترو، توانایی صعود و بالارفتن قوی و نویز پائین، بنابراین خط مسیر انعطاف پذیرتر خواهد بود. برای اطمینان از کارکرد امن مترو و با عملکرد پایدار، LIM معمولاً با یک فاصله هوایی بین 10 تا 100 میلی متر طراحی می شود که بزرگتر از RIM است. در طول فرایند تبدیل انرژی، انرژی مغناطیسی منتقل شده و در طرفین اولیه با حرکت نسبی اولیه و ثانویه، تلف می شود. این پدیده، اثر انتهایی نامیده می شود. موارد فوق در نهایت سبب می شوند LIM دو اشکال مهم و اساسی نشان دهد، یکی کارایی پائین و دیگری ضرایب توان. علت مصرف بالای انرژی، این دو اشکال می باشند. تلفات جریان گردابی در صفحه ثانویه و همچنین پیشرانه، رابطه تنگاتنگی با فرکانس دارد. LIM در فرکانسهای پائین از کارایی بالا و پیشرانه بزرگی برخوردار خواهد بود. به علاوه، اگر ایستگاه مترو دور از ایستگاه بعدی باشد، آنگاه دور و سرعت کم می تواند نیازها را تامین نماید. به این دلایل، LIM در نظر گرفته شده برای سیستم مترو، برای عملیات در فرکانس پائین طراحی شده است. به خاطر جریان محرکه بزرگ در سیم پیچ های اولیه، فرکانس موتور در فرکانس پائین، پائین تر از موتورهای دوار می باشد.با بهره گیری از مقاومت صفر مواد پردما (با حرارت بالا)، با کاهش تلفات سیم پیچ های اولیه، کارایی را می توان به میزان زیادی بهبود بخشید. با خصوصیات و تکنولوژی مواد HTS بهبود یافته، هزینه های ساخت وسایل الکتریکی HTS، به طور قابل توجهی کاهش یافته است. بنابراین، انواع موتورهای HTS توسعه یافته با استفاده از نوارهای HTS یا مگنت های (آهنربا) HTS ساخته شده است. موتور سنکرون خطی HTS، که در آن آهنرباهای دائمی با استفاده از آهنرباهای HTS یا نوارهای HTS برای استفاده دی سی، جایجا شده اند، با موفقیت ساخته شده و موتور با عملکرد بهتری کار می کند. اما، تلاشهای معدودی در جهت توسعه HTS LIM با استفاده از نوارهای HTS جهت کاربرد ای سی صورت گرفته است. اخیراً، خصوصیات نوارهای HTS برای کاربرد ای سی به میزان زیادی بهبود یافت. HTS LIM با نوارهای HTS به ویژه برای کاربردهای فرکانس پائین (کم بسامد) در سیستم مترو ممکن شده است. به خاطر تلفات ای سی پائین و چگالی جریان بالا، HTS LIM دارای مزایایی نظیر حجم پائین، وزن سبک، کارایی بالا و چگالی توان بالا می باشد. خصوصیات مواد نظیر رسانایی الکتریکی و نفوذپذیری مغناطیسی پیچیده تر از مواد متداول و مرسوم هستند. برای ارزیابی عملکرد HTS LIM، روشهای تجزیه و تحلیل سنتی باید با درنظر گرفتن خصوصیات مواد ابررساناهای پردما، تغییر داده شوند. در این مقاله، HTS LIM سمت فشار ضعیف کم دور، با سیم پیچ های تحریک نوارهای  و توزیع شده به صورت ساختار متمرکز دو لایه، پیشنهاد شده است. برای ارزیابی عملکرد HTS LIM ، مدل ریاضی با در نظر گرفتن ویژگیهای جریان و پدیده پین گذاری شار مغناطیسی ابررسانا ساخته می شود. مدل پیشنهادی با استفاده از روش المان محدود گام زمانی 2 بعدی (FEM) حل می شود. به علاوه، آزمایشی نیز برای ارزیابی صحت نتایج شبیه سازی FEM طراحی می شود.

Due to the critical characteristics and the magnetic flux pinning phenomenon of the high-temperature superconducting (HTS) material, the electromagnetic calculation for the HTS motor is more complicated than for conventional motors. In this paper, the equivalent electrical conductivity and the equivalent magnetic permeability are proposed to represent the critical characteristics and the magnetic flux pinning phenomenon, respectively. Considering the low-speed single-sided HTS linear induction motor as an example, the 2-D mathematical model is established and its boundary conditions are given. The model is solved using the time-step finite-element method. The flux density distributions and the performance parameters, such as thrust, vertical force, eddy-current loss, efficiency, power factor, and so on, are obtained. In addition, the magnetic flux density around the HTS windings is also calculated to evaluate the influence of the leakage magnetic flux on the critical current. Finally, the experiment is carried out to validate the accuracy of the established model.

I. INTRODUCTION

THE LINEAR induction motor (LIM) is derived from the rotating induction motor (RIM). Instead of producing rotation torque, it produces a linear force along the moving direction. Thus, the linear induction motor could drive the wheeled vehicles with independent wheel-rail adhesion. Therefore, the LIM finds wide applications in the transportation system [1]–[6]. In high-speed applications, it is difficult to supply electrical power. Thus, the LIM with short secondary (rotor in RIM) and long primary (stator in RIM) are developed as vehicle drives [6]–[8]. The construction cost of the transportation system is very high and the requirements of the control technique become complicated and strict due to the structure of the long primary LIM. In low-speed applications, such as subway system, the power supply by pantograph catenary system and the third rail has been used for many years. This power supply could also satisfy the requirements of the LIM with short primary. Thus, the construction cost of the subway system propelled by the short-primary LIM can be dramatically cut down. Moreover, the secondary could be developed by reconstructing the inherent routes without need to construct new ones, which will further reduce the construction cost of the transportation system. Therefore, the LIM with short primary has found wider applications in the transportation system than the LIM with long primary, e.g., the linear metro in Japan, then Vancouver light train in Canada, and the Guangzhou subway line 4 and the Airport Beijing City [9], [10]. Compared with the subway driven by conventional rotating motors, the subway driven by the LIM has the following advantages: 1) the construction cost could be greatly decreased by making the height of the tunnel lower and 2) the metro small turning circle, strong climbing ability, and low noise, so the route line would be more flexible [11]. To ensure the subway to operate safely and with stable performance, the LIM is usually designed with an air-gap ranging from 10 to 100 mm, which is larger than the RIM. During the energy conversion process, the magnetic energy is carried away and lost at the ends of the primary by the relative movement of the primary and secondary. This phenomenon is called “end effects.” All these above finally make the LIM show two major drawbacks, low efficiency and power factors. These two drawbacks are the cause of high energy consumptions [12]. The eddy-current loss in the secondary plate as well as the thrust is tightly related to the frequency. The LIM will have high efficiency and a large thrust at low frequencies [5]. Moreover, if the subway station is not far away from the next one, the low speed could satisfy the requirements. For these reasons, the LIM considered for the subway system is designed for low frequency operation. Due to the large exciting current in the primary windings, the efficiency of the motor at low frequency is still lower than that of the rotating motors. Taking advantage of the zero resistance of the high temperature materials, the efficiency could be greatly improved by reducing the loss of the primary windings [13]. With the properties and the manufacturing technology of the HTS materials improved, the construction cost of the HTS electrical devices has been significantly cut down. Therefore, number of types of HTS motors developed using the HTS tapes or HTS magnets have been fabricated [14]–[17]. The HTS linear synchronous motor, with the permanent magnets replaced using the HTS magnets or HTS tapes for dc use, has been successfully constructed and the motor could be operated with a better performance [18], [19]. However, there were only a few attempts to develop the HTS LIM using the HTS tapes for ac use [20]. Recently, the properties of the HTS tapes for ac use were greatly improved. The HTS LIM with HTS tapes has become feasible, especially for the low-frequency applications for the subway system [21]. Due to the low ac loss and the high current density, the HTS LIM has the advantages such as low volume, light weight, high efficiency and high power density, and so on [16], [22]. The material properties as the electrical conductivity and the magnetic permeability are more complicated than the conventional materials. To evaluate the performance of the HTS LIM, the traditional analysis methods should be modified by considering the material properties of the high temperature superconductors. In this paper, a low-speed single-sided HTS LIM, with excitation windings from Bi-2223/Ag HTS tapes and distributed as a double-layer concentrating structure, is proposed. The mathematical model considering the current characteristics and the magnetic flux pinning phenomenon of the superconductor is established to evaluate the performance of the HTS LIM. The model is solved using the 2-D time-stepping finite-element method (FEM). In addition, the experiment is also designed to evaluate the accuracy of the FEM simulation results.

1. مقدمه

2. مدل ریاضی HTS LIM

A. ساختار فیزیکی HTS LIM

B. رسانایی الکتریکی معادل نوار HTS

C. نفوذپذیری مغناطیسی معادل نوار HTS

D. مدل ریاضی برای HTS LIM

3. نتایج وتجزیه و تحلیل محاسبه

A. توزیع چگالی شار مغناطیسی

B. عملکرد HTS LIM در وضعیت پایدار

C. ارزیابی جریان بحرانی HTS LIM

4. آزمایش HTS LIM

5. نتیجه گیری

I. INTRODUCTION

II. MATHEMATICAL MODEL FOR THE HTS LIM

A. Physical Structure of the HTS LIM

B. Equivalent Electrical Conductivity of the HTS Tape

C. Equivalent Magnetic Permeability of the HTS Tape

D. Mathematical Model for the HTS LIM

III. CALCULATED RESULTS AND ANALYSIS

A. Distributions of the Magnetic Flux Density

B. Steady-State Performance of the HTS LIM

C. Critical Current Evaluation of the HTS LIM

IV. EXPERIMENT OF THE HTS LIM

V. CONCLUSION