大气隙直线感应电机初级绕组匝间短路故障分析

中低速磁悬浮采用单边型大气隙直线感应电机（LIM）来驱动,每节车厢安装10台初级,采用5串2并的连接方式,复合次级板安装在轨道上,LIM的可靠性对车辆安全运行非常重要。本文就LIM初级绕组匝间短路故障展开研究,基于有限元方法建立了分析模型,计算了起动情况下不同位置、不同匝数匝间短路故障时的性能,包括三相电流、短路电流、推力与法向力,通过对比分析了短路故障对LIM性能的影响,为故障时的可靠运行提供支持。     

注入谐波电流的长初级双边直线感应电机推力波动优化研究EI北大核心CSCD

长初级双边直线感应电机(DLIM)的端部效应会引起推力波动,影响电机稳定运行。为降低电机推力波动,采用注入谐波电流方法抑制纵向端部效应引起的两倍滑差频率的推力波动,推导出注入谐波电流后电机气隙磁密和电磁推力的解析表达式。求解出使推力波动分量的合成结果为0时,应注入谐波电流频率、相位、幅值的表达式,并分析注入谐波电流对气隙磁密、推力特性的影响。最后建立长初级双边直线感应电机的有限元模型,仿真计算注入谐波电流的相关参数,分析比较注入谐波电流前后气隙磁密和推力特性,并将仿真结果与解析计算结果对比,二者具有很高的一致性。结果表明注入谐波电流可大幅降低推力波动,为长初级双边直线感应电机推力波动的优化研究提供理论依据。     

并联双边直线感应电机次级定向控制

双边长初级直线感应电机初级模块并联联接,并由单逆变器供电是一种有效的直线驱动方式。为提高电机整体推力性能,提出一种基于次级整体磁链定向的矢量控制策略。首先,给出并联各直线感应电机模块的动态模型,推导出控制过程中并联电机模块总励磁电流和推力电流的计算方法。在此基础上,依据并联直线感应电机模块运行时各电机的耦合因数和次级的实时速度,进行次级磁场定向,实现并联直线感应电机次级磁场和推力的协同控制。仿真分析和实验结果表明,所提次级磁场定向控制方法能有效克服既有磁场定向控制时的推力波动问题,提高并联电机模块整体推力的平稳性。同时,该方法能提高并联直线感应电机运行时的功率因数,降低所需逆变器的容量。     

基于解耦策略的直线感应牵引电机法向力自适应最优控制

中低速磁悬浮列车和部分地铁车辆均采用直线感应牵引电机作为驱动机构,该电机特有的边缘效应和法向力对直线感应牵引电机的效率以及性能均产生很大的负面影响,因此直线感应牵引电机采用常规的电传动控制策略并不能取得良好的控制效果。该文充分考虑边缘效应的影响,建立了直线感应牵引电机的数学模型。将推力与磁通进行解耦,并分析磁通、推力与电流控制环节的非线性与时变性,提出了神经自适应控制的设计方法。分析了法向力的组成与特性,得出其数学表达式,以推力与磁通解耦为基础,结合最优化理论,考虑多个优化目标建立损耗最小函数,实现直线感应牵引电机的损耗最优控制。计算机仿真与实验对所提控制策略与传统控制策略进行对比,验证了该方法在典型工况下的有效性。     

轨道交通用次级分段型直线磁通切换永磁电机研究

基于城市轨道交通直线牵引系统,已有研究成果综合比较了直线感应电机(LIM)和次级齿槽型直线磁通切换永磁(LFSPM)电机,结果表明次级齿槽型LFSPM电机具有推力密度大、效率高和功率因数高等优点。然而,其次级为齿槽结构,如应用于轨道交通等长距离驱动系统时,则会增加次级体积及材料和加工成本。为了进一步降低次级成本,该文首先提出一种次级分段型LFSPM电机拓扑结构,该电机次级无轭部,仅由分段导磁块组成,次级材料体积小、成本低。通过对该电机的气隙磁场进行谐波分析,推导了推力产生的机理。然后在直线电机驱动地铁的实际尺寸及运行工况条件下,建立了该电机的二维有限元仿真模型,并对关键参数进行了优化。最后,在最优结构的基础上,结合广州地铁4号线,对比分析了该电机和LIM的系统成本和能耗。为该类电机在轨道交通直线牵引系统实际应用奠定了理论基础和设计参考。     

一种基于静态特性的直线感应电机参数辨识方法

直线感应电机(LIM)具有机械间隙大、定转子漏感差别明显、边缘效应影响等特点,准确测量电机参数难度较大.通常的电机空载试验参数测量方法在直线轨道上难于实施,特别是用于地铁和磁浮列车牵引的直线电机,由于运动位置重复性差,在线辨识实现困难.本文提出一种新的基于变频器驱动的直线感应电机等效电路参数辨识方法,利用不同频率时的电机推力、变频器输出电压和电流等静态堵转特性,结合最小二乘法推算出适合控制用的直线感应电机等效电路中的初级电阻、漏感、次级等效电阻和漏感参数.测量设备即为实际驱动电机的变频器.对一台基于直线感应电机牵引系统的测试结果表明了该方法的有效性.     

两种驱动方式下永磁直线开关磁链电机的研究

永磁开关磁链电机数学模型可以等效为永磁无刷电机,普遍采用方波驱动方式。在有限元基础上分析6/7极直线式磁链电机反电势波形,采用方波和正弦波驱动方式,比较两种方式下的电流、电压、平均推力大小及波动系数,计算不同方式下电机铜耗、铁耗以及永磁铁涡流损耗。仿真表明:在同一速度下,两相导通方波方式下的推力小于正弦波驱动方式下的力,同时总损耗也小于正弦波驱动方式下损耗,可以在不同应用场合中选择不同驱动方式。     

动磁式直线振动电机的特性研究

文中介绍了动磁式直线振动电机的结构，采用有限元方法建立了2D分析模型，在此基础上，计算了电机的气隙磁场和电磁推力，研究了永磁体尺寸对电机推力、吸引力的影响，并讨论了它在恒振幅工作时的线圈电流，相应的实验结果验证了有限元模型的正确性。分析表明在电机工作时气隙磁场也不断地移动和改变，而且在工作行程内电磁推力基本与线圈电流成正比。分析结果将为该类电机的优化设计提供依据。     

磁路互补型横向磁通切换直线电机电磁推力计算与特性分析

有铁心永磁直线电机由于齿槽、边端效应及电枢电流谐波等,不可避免地会产生较高的电磁推力波动,电磁推力波动直接影响直线电机运行精度和平稳性。该文对具有磁路互补特征的横向磁通切换直线电机展开电磁推力特性研究,通过等效磁路法分析其磁场分布规律,得出该电机次级具有等磁位的电磁特性;基于气隙磁动势-磁导分析方法,揭示互补磁路条件下,该有铁心电机消除齿槽推力波动,实现有铁心电机无齿槽效果的机理;基于该电机磁场分布特征,建立其许-克变换气隙磁场计算模型,提出定位力、电枢绕组磁阻力及永磁推力等电磁推力快速准确的计算方法,获得该电机各电磁推力特性;对样机进行了空载感应电动势和电磁推力的测试实验,对比实验和仿真结果,验证了理论分析模型及计算方法的有效性和准确性。     

磁悬浮开关磁阻电机磁饱和特性的有限元分析

分析了12/8极磁悬浮开关磁阻电动机的悬浮力产生机理,建立了电机非线性磁链Maxwell 2D模型.通过有限元计算,研究了转子角变化对铁心磁饱和程度的影响,给出了悬浮力和磁饱和特性的定量关系.计算结果表明,与近似线性磁链模型下悬浮力与副绕组电流呈线性递增关系相比,实际电机的悬浮力与副绕组电流呈严重非线性关系并存在减小区间.该研究对电机优化设计和控制具有一定的理论价值.     

高加速度双边型永磁直线电机的设计与优化

以高加速度与高推力密度为设计目标,设计了一种平板双边型永磁直线电机。首先通过分析极槽配合对推力性能的影响,选择了合适的极槽配合;其次采取抑制推力波动的措施对结构进行了优化,并对动子结构进行轻量化设计以提高加速度;然后基于有限元研究了两种电密情况下的电感参数和推力性能,得到空载运行情况下的动子加速度;最后,研究了两台组合式结构或永磁分段斜极的方法进一步降低推力波动,实现了大推力、低波动和高加速度的设计目标。     

圆筒型直线感应电动机的起动推力与电机性能的计算与分析

以一台起动推力为103N的三相圆筒型直线感应电动机为例,采用内外双收敛有限元方法对其起动时刻进行涡流场分析,求出了电机的起动推力和电机内的磁场分布.通过与实验值进行比较,验证了此方法计算该电机起动推力的准确性.利用所得的方法,对采用不同气隙大小和次级电阻率时电机的起动性能进行计算分析,从而得出起动推力随气隙大小和次级电阻率的变化规律.所得到的计算方法与规律对圆筒型直线电机的优化设计与制造能够提供有益的帮助.     

磁悬浮电动机的状态反馈线性化控制

借助电磁场的有限元计算建立了磁悬浮电动机的数学模型,针对系统具有多变量、强耦合、非线性的特点,应用多变量非线性控制的状态反馈线性化方法,设计出非线性控制器,经过该控制器的补偿,将原非线性强耦合的多变量系统解耦并线性化,成为转速、转子磁链及转子位置等彼此无耦合的线性子系统。应用线性系统理论对这些线性子系统进行综合。仿真表明,系统具有良好的静、动态性能。应用高磁场稀土钕铁硼永磁铁推力轴承,实现转子的轴向稳定。     

径向充磁圆筒永磁直线同步电机磁场和推力解析计算

介绍了一种基于标量磁位分离变量法(圆柱坐标)的径向充磁圆筒永磁直线同步电机磁场解析计算方法。利用该解析法理论分析了无槽电机的气隙磁场,得到了气隙磁场的轴向和径向磁场分布的解析结果;同时对有槽电机引入了卡特系数并利用许-克变换构造了考虑齿槽效应的气隙相对比磁导函数,得出了径向磁通密度的解析表达式;此外,文中还利用解析法计算了无槽电机的推力;通过有限元数值算法对磁场和推力进行计算,结果表明,该电机气隙磁场及电磁推力的两种计算方法的结果误差很小,验证了解析法的正确性和实用性。最后给出了无槽型实验样机的径向磁场分布以及电机额定负载时的推力实验结果,验证了样机分析和设计的正确性。     

基于电流片模型的永磁推力轴承优化设计

为便于永磁推力轴承的优化设计,利用基于电流片模型的永磁推力轴承推力解析算法,给出了适合单对和多对同轴磁环或磁块阵列的简明磁力解析表达式。经有限元分析软件验证该解析算法的准确性后,对永磁推力轴承的推力特性进行了进一步的分析。然后以轴向推力为优化目标,得到了可作为优化设计的相关依据,继而提出了一种含有交替充磁方向永磁环的交错式永磁推力轴承结构。最终在前述工作基础上,完成了交错式永磁推力轴承样机的设计与制造,并在一个飞轮储能系统的测试平台上对其进行了部分实验研究。     

Thrust ripple optimization and experiment for a permanent magnet linear synchronous motor

Thrust ripple such as end force, slot force and normal force are key factors that affect the properties of permanent magnet linear synchronous motors (PMLSM). According to different mechanics and analytical models, end force resulting from open magnetic circuit of PMLSM was greatly decreased by optimizing the length of the PMLSM mover. Slot force caused by slot effect was greatly reduced by using fraction slot structure, and normal force was calculated through the finite element method (FEM). After thrust ripple was calculated, its uniform formula was obtained through Fourier series nonlinear regression. An experimental system was set up to measure thrust ripple, and experiment results demonstrated that experimental force ripple was quite in line with that calculated by the fitting formula. The optimal theory and analysis method is effective, and the obtained formula can be utilized to compensate thrust ripple in practical applications and improve the motion performance of PMLSM. __________ Translated from Proceeding of the Chinese Society for Electrical Engineering, 2005, 25(12): 122–126 (in Chinese)     

改进的永磁同步直线电机直接推力控制策略

针对传统直接推力控制策略的瞬态响应慢和稳态误差大的问题,提出基于线性二次调节器的永磁同步直线电机直接推力控制策略,建立新型的多输入输出的空间状态电机模型,以定子磁链和推力作为状态量,设计线性二次调节器来获得线性状态反馈控制律,并用来取代传统的定子磁链、推力PI调节模块.通过增广的电机空间状态模型达到减小稳态误差和推力波动的目的.通过MATLAB/Simulink仿真,其结果表明,改进的控制策略可以得到更快的动态响应,同时具有减少推力、磁链脉动的效果,所设计的控制系统达到更好的稳态特性和动态特性,具有良好的控制性能.     

动磁式永磁无刷直流直线电机的齿槽力最小化

为提高永磁无刷直流直线电机的性能，必须研究减小其齿槽定位力(齿槽力)的技术措施。根据电磁弹射系统需要推进大质量载荷的要求，提出了1种大推力的动磁式永磁无刷直流直线电机模型。用有限元方法计算了磁极端部与定子齿槽相互作用形成的3种齿槽力分量，由傅里叶变换得到了各分量的功率谱。在对各分量进行频谱分析的基础上得出了产生齿槽力的主要原因是电机推力的二次谐波这一结论，提出了优化磁极宽度以减小齿槽力的方法。对优化设计后的电机模型进行了有限元计算和频谱分析，分析显示该电机模型推力的二次谐波已被大大削弱。计算了不同磁极宽度情况下的电机推力，结果表明采用该方法可以有效减小电机的推力波动。     

串联磁路结构混合式直线磁阻电机的推力特性

提出了一种新型串联磁路结构混合式直线磁阻电机的方案。在分析该电机磁路特点的基础上,通过线性解析,定量分析了该电机的电磁推力特性,并对样机进行了实验测试,表明该种结构的直线电机具有较高的推力体积比。通过合理设计电机的电磁参数及结构参数,不但可以提高电机的电磁推力,而且可以降低电机的体积和重量,提高驱动系统的响应特性。     

交通牵引大功率单边直线感应电机性能研究

从单边直线感应电机(SLIM)气隙磁密方程入手,引入绕组函数方法,将次级绕组分为基波和边端效应波分量。根据初级绕组分布,推导出两相静止坐标下的初级绕组函数,解出次级绕组基波和边缘效应波分量。由绕组函数理论计算出电感、品质因数、次级电阻和运动电势系数,建立电压和磁链方程。根据初次级能量转换关系,得到推力方程。通过恒流恒频下的暂态特性和几种变频模式下的稳态特性计算,比较了实际稳态运行中的大功率SLIM的相电流、推力和效率的计算值和测量值。结果表明,绕组函数法能较好地描述边端效应,得到的稳态推力、效率和试验基本吻合,并证明了暂态计算的真实性。该模型可用于电机设计和特性分析中,具有一定的实用性。