变极距双边直线感应电机理论与设计研究

摘要

电磁加速系统由能量存储系统，电力电子系统，直线电机驱动系统以及控制系统四个子系统构成。电磁加速驱动系统中，直线电机是驱动的动力源，直接驱动负载作直线运动。适用于电磁加速器驱动的直线电机主要有直线感应电机、永磁型直线同步电机以及超导励磁型直线同步电机。其中，由于直线感应电机具有次级结构简单坚固，质量小，制造和运行成本低，运行安全可靠，逆变器大功率开关器件开关频率较低等优点，因而选择长初级双边直线感应电机作为加速器的驱动电机。
　　本文将针对电磁加速器中最为核心的驱动系统进行深入研究，根据加速的特殊性，提出了一种新型的变极距双边直线感应电机作为加速驱动。传统直线电机控制时通常采用控制电流频率的方法控制电磁推力输出，且需要实时检测速度位移量进行反馈，当高速时所需电流频率增大，必然受到逆变器开关频率的限制。介于此所提出的变极距直线感应电机在加速过程中电流频率恒定不变，且无需进行反馈控制，因而即可以优化控制方式，又可以减小电机损耗。
　　本文首先建立了变极距双边直线感应电机一维场和二维场方程，分析气隙磁场组成部分，求解气隙磁场磁感应强度表达式，并分析了端部效应对气隙磁场的影响，以及极距的变化对磁场强度和端部效应的影响。根据已求得的气隙磁场磁感应强度表达式，推导分析电机的各项动态性能。
　　其次，推导符合加速用的考虑端部效应影响的变极距长初级双边直线感应电机等值电路。采用端部效应系数对端部效应进行修正，并求解各修正系数表达式。分析极距的变化对等值电路参数值的影响，并采用路的理论仿真分析极距的变化对端部效应特征参数的影响。
　　再次，根据实际加速指标要求，对变极距直线感应电机各设计参数进行计算选取，仿真分析极距的变化对磁路参数、电路参数的影响。提出极距分段变换和极距连续变换两种变极距直线电机设计方式。
　　随后，将变极距模式拓展为变相宽度的形式，推导任意位置处的相带宽度和任意位置处的极距大小表达式，分析次级参数量和空气阻力等外界因素对电机性能的影响。分析变极距双边直线感应电机极距连续变化时气隙磁场情况，求取不同区域的磁感应强度。推导变极距电机各项绕组的自感、互感公式，推导电磁推力输出及最大电磁推力值，并仿真分析极距的变化对电机性能的影响。利用有限元仿真软件，仿真分析电机磁力线及磁密分布，验证理论计算的有效性。
　　最后，以直线感应电机等效电路为基础，以q-d-0坐标系为基准，提出一种新型的驱动控制策略，恒定电流频率，优化加速控制过程，建立变极距直线感应电机动态模型，并对电机在恒频控制时的各项动态特性进行仿分析研究。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 电磁加速技术研究现状

1．2．2 直线电机驱动技术研究状况

1．2．3 直线感应电机理论与应用

1．3 研究目标与研究内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．4 论文安排与主要创新点

1．4．1 论文安排

1．4．2 主要创新点

第2章 变极距长初级双边直线感应电机磁场分析

2．1 电机气隙磁场分析

2．1．1 一维场气隙磁场分析

2．1．2 二维场气隙磁场分析

2．2 端部效应影响分析

2．2．1 入端衰减参数对气隙磁场影响

2．2．2 出端衰减参数对气隙磁场影响

2．2．3 端部效应行波波长对气隙磁场影响

2．3 极距变化对电机气隙磁场的影响

2．3．1 极距变化对面电流和品质因数影响

2．3．2 极距变化对磁场强度影响

2．3．3 极距变化对端部效应的影响

2．4 电机电磁推力特性分析

2．4．1 电磁推力输出及其性能计算

2．4．2 设计参数对电磁推力影响

2．5 本章小结

第3章 变极距长初级双边直线感应电机等效电路分析

3．1．1 不计端部效应电机等值电路

3．3．2 考虑端部效应电机等值电路

3．2 端部效应系数分析

3．2．1 纵向端部效应系数计算

3．2．2 横向端部效应系数计算

3．3 变极距双边直线感应电机等效电路分析

3．3．1 长初级直线电机等值电路

3．3．2 变极距电机等值电路分析

3．3．3 变极距对边端效应影响

3．4 变极距电机等效电路性能计算

3．5 本章小结

第4章 变极距长初级双边直线感应电机设计

4．1 电磁加速系统技术指标要求

4．2 变极距直线感应电机设计参数选取

4．2．1 电磁负荷选取

4．2．2 初级绕组及冲片的确定

4．2．3 气隙和次级导体的选取

4．2．4 磁路计算

4．2．5 等值电路参数计算

4．3 极距变化对电机参数的影响

4．3．1 电机极距对磁路影响

4．3．2 电机极距对电路参数影响

4．4 变极距直线电机极距选取

4．4．1 极距分段变化情况

4．4．2 极距连续变化情况

4．5 本章小结

第5章 变极距长初级双边直线感应电机性能分析

5．1 变极距直线电机气隙磁场分析

5．1．1 电机相带宽度变化分析

5．1．2 电机次级参量影响

5．1．3 电机气隙磁场分析

5．2 变极距直线电机电感特性分析

5．2．1 绕组自感计算

5．2．2 绕组互感计算

5．3 变极距直线电机性能计算

5．3．1 变极距电机电磁推力计算

5．3．2 极距变化对电机性能影响分析

5．4 变极距直线电机有限元分析

5．5 本章小结

第6章 变极距长初级双边直线感应电机控制方法

6．1 旋转坐标系动态数学模型建立

6．1．1 电压方程建立

6．1．2 磁链及电流方程建立

6．1．3 运动方程及电机性能方程建立

6．2 直线电机恒频控制

6．2．1 控制原理及方法

6．2．2 仿真分析结果

6．3 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的论文及科研成果