面向电磁推进的多相永磁直线电机设计及其控制

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1、国内图书分类号：TM343密级：公开国际图书分类号：621.3西南交通大学研究生学位论文面向电磁推进的多相永磁直线电机设计及其控制年级二零一五级姓名谢建隆申请学位级别工学硕士专业电气工程指导老师陆可副教授二零一八年三月ClassifiedIndex:TM343U.D.C:621.3SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisMULTIPHASEPERMANENTMAGNETLINEARMOTORDESIGNANDCONTROLFORELECTROMAGNETICPROPULSIONGrade:2015Candidat

2、e:XieJianlongAcademicDegreeAppliedfor:MasterDegreeSpeciality:ElectricalEngineeringSupervisor:AssociateProf.LuKeMarch.23,2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要电磁推进系统利用电磁力将大质量物体短时间内迅速加速到指定值，较以往蒸汽或火力推进系统具有可控性好，可靠性高、体积小、维护简单和使用范围广等诸多优势。以双边型多相永磁直线电机作为电磁推进系统的传动机构，具有高功率因数和高效率的优点，能够实现低压大功率，同时多相电机相冗余的优势有利于

3、实现系统缺相后的容错控制。本文以双边板状十二相永磁直线电机为研究对象，首先对其电磁场进行分析。将电枢电流进行等效电流层变换处理，对动子永磁体励磁的分析则采用等效磁化电流变换，通过求解麦克斯韦方程组即可求得气隙区域磁场。利用许-克变换和MATLAB数值计算分析电枢开槽影响和动子端部开断影响。这样，十二相永磁直线电机磁场解析模型建立完成。利用MATLAB编写磁场解析模型代码，绘制出气隙磁密波形并与有限元软件Flux的仿真结果对比，验证了所建磁场解析模型的正确性。在直线电机的电磁设计上，以实际需求为设计导向，以MATLAB和有限元分析Flux软件为辅助工具，在文献案例

4、分析和磁场解析模型的基础上研究了电机定子侧和动子侧基本尺寸的设计，给出了电阻、电枢反应电抗与漏抗的计算方法，研究了空载反电势、功率因数和效率等指标的影响因素，而后据此进行了设计方案优化的研究，包括电机电磁负荷的平衡优化和动子质量的优化。在电磁推进系统中往往是采用长定子供电，这就带来了较长的非定子动子耦合区间，这一部分漏抗和电阻都不容忽视，因此必须将长定子进行分段供电。根据1500V的母线电压上限，按线路分压公式，以每段末端频率为基准，倒推计算出每一段独立供电定子的长度。而后根据电磁推进系统单向加速的工作模式，本文在确定定子分段长度的基础上对各分段的效率优化进行了

5、研究。此外还研究了一种在电机高速运行区具有较高效率和功率因数的无齿槽结构电机，按照设计需求研究了此种结构的尺寸设计，并相应计算了其效率与功率因数。结果表明该种结构电机可达到较高功率因数，在效率上，虽然铁耗减少，但可能因为多相窄槽结构导致铜耗占比过高，因而优化空间小，对比齿槽型电机未见优势。另外，对双边定子结构，还可以对电机动子上永磁体排布方式进行优化，有限元仿真结果表明采用相同永磁体质量时，动子永磁体径向充磁能获得最大的平均推力，Halbach充磁方式能获得畸变最小的气隙磁密和最小的动子铁心磁密。最后，分析了多相绕组结构较传统三相绕组的优势，研究了缺相故障情况下

6、电机磁动势和推力特性，研究了基于磁动势补偿的以定子最小铜耗和最小电流幅值两种优化目标的缺相控制方法。通过构造拉格朗日函数可实现定子最小铜耗优化目标下的磁动势补偿，最小电流幅值优化目标则可借助MATLAB的OptimizationTool工具箱实现。西南交通大学硕士研究生学位论文第II页本文将两种优化方法应用到缺一至多相的情况，求解出电机其余正常相补偿电流的表达式，通过在MATLAB中求解磁动势幅值波形与采用有限元软件进行推力仿真分别验证了两种优化方法的补偿效果，结果表明：当故障相数较少或者故障相空间角度较为分散，补偿效果较为良好；连续相故障超过三相时为维持原有磁

7、动势需要付出较高的电流代价，且效果不佳。另外，当在两种优化方法中去除各相电流瞬时值为零的约束时，电机能达到较好的推力补偿效果。关键词：电磁推进；多相永磁同步直线电机；电磁设计；分段供电；缺相西南交通大学硕士研究生学位论文第III页AbstractElectromagneticpropulsionsystemutilizeelectromagneticforcetoacceleratelargeobjectstoaspecifiedvalueinashorttimerange.Comparetosteamorthermalpropulsionsystem,itha

8、ssuchadvanta