双边型长初级直线感应电机电磁推力特性研究

针对电磁弹射及空间实验系统用双边型长初级直线感应电机(doublesidedlongprimarylinearinductionmotor,DSLPLIM)的电磁推力特性,首先根据电磁场理论,通过对初级行波电流层和次级电流的微分运算,推导出计及端部效应的直线感应电机气隙磁密的解析表达式,同时,依据洛伦兹力公式,推导出直线感应电机平均电磁推力的解析计算表达式;其次,为削弱端部效应引起的推力波动,采用发卡式全填充绕组以改善直线感应电机气隙磁密分布的正弦性(减小推力波动),同时为提升电机的电磁推力,改进现有次级板开槽结构,实现涡流路径的优化;最后,针对发卡式绕组和次级板开槽2种改进,利用推导的解析计算公式和3D有限元仿真软件,分别计算双边型直线感应电机的气隙磁密分布和电磁推力特性曲线。对比分析表明:发卡式全填充绕组的使用不仅能削弱直线感应电机的推力波动,还能有效提升电磁推力的大小,提高直线感应电机的运行性能;改进次级开槽结构可有效提升电机的电磁推力,增大推力密度。     

磁导调制式永磁直线伺服电机的设计

为了削弱永磁直线伺服电机端部效应引起的推力波动,本文提出了基于磁导调制的永磁直线伺服电机设计方法。电机的初级采用开口槽,利用齿槽磁导与端部磁导相调制,使总磁导波均匀分布在奇数个永磁体磁极内。将磁导调制方法与分数槽绕组理论有机结合应用于永磁直线伺服电机的设计中,电机的初级绕组采用单齿集中成型线圈,具有短距与分布效应,且有工艺性好、绕组端部短、推力密度高的特点,有效地削弱了永磁直线伺服电机端部效应引起的推力波动。文中给出了磁导调制式永磁直线伺服电机设计方法的一般规则,并给出了一个每相2绕组的直线电机算例,样机的分析计算验证了所述方法的正确性。     

高温超导直线感应电机的优化设计

详细讨论了高温超导直线感应电机的结构设计和初级绕组排列方式,给出了高温超导带材临界电流和背景磁场的关系曲线。采用Maxwell有限元电磁分析软件对高温超导直线感应电机进行了详细的电磁分析,并对初级绕组匝数、初级铁心槽高和初级铁心槽宽等关键参数进行了参数扫描和优化,分析了它们对电机电磁力、初级槽漏磁通和电机临界电流的影响,提出了高温超导直线感应电机的优化设计方法。根据得到的高温超导直线感应电机优化设计参数制造了一台完全相同的铜绕组实验样机,测试了样机在不同电流和速度下的推力,对比相同条件下得到的有限元电磁仿真结果,可以得到一个修正推力仿真结果的系数,这个系数对研究不同电机参数的电机推力很有意义。     

环形绕组在永磁同步直线电机分段中的应用研究

在实际的系统中长初级永磁同步直线电机绕组常采用分段供电的方式驱动。但交替的初级绕组产生了较大的速度波动,严重影响电机的可控性。为此提出一种连续定子(端部绕组交叠)的分段方法,并将环形绕组应用到永磁同步直线电机的分段中。通过对d-q数学模型下电磁推力的解析分析可知,由于初级绕组的开断,电机磁路不再对称,d轴和q轴之间产生了磁耦合;环形绕组谐波磁场影响电机性能,由空载反电动势的谐波分析来认识环形绕组的谐波分布特点,最后采用二维有限元分析对环形绕组电机进行了优化。该种电机电枢可以实现任意长度的分段,并且具有良好的段间运行特性。     

分数槽集中绕组无铁心永磁直线同步电机推力分析

为实现应用于步进扫描投影光刻机中长行程直线电机的高推力密度、低推力波动等要求,研究叠放和非叠放两种分数槽集中绕组的无铁心永磁直线同步电机推力特性,在建立空载气隙磁场分析模型的基础上,推导叠放和非叠放两种绕组形式的电机空载感应电动势、电磁推力和推力密度的解析式,分析永磁体和初级绕组的结构尺寸对电磁推力的影响规律。通过实例分析,比较推力的解析法计算结果、有限元法仿真结果和实验测试值,证明解析法的合理性。同时,分析比较不同极槽比组合的叠放和非叠放分数槽集中绕组的电机电磁推力和推力密度的大小。结果表明:少极多槽极槽比的叠放分数槽集中绕组形式电机产生的电磁推力与推力密度更大。     

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。     

基于等效滑模的开绕组永磁直线电机控制研究

开绕组结构能给直线电机系统提供更多的电平,可以提高电机绕组端电压和功率,是提升直线电机推力性能的有效方法。文中以初级永磁型直线（Primary Permanent Magnet Linear, PPML）电机为研究对象,分析了PPML电机的数学模型,设计了PPML电机的双逆变器开绕组拓扑结构;针对传统PI控制的不足和滑模控制中存在的抖振,提出以电机的速度和位移为控制量,把电机系统分解为等效控制和切换控制,设计了等效控制器和切换控制律,增加补偿控制量改进等效滑模控制,抑制滑模抖振,仿真和实验结果证明,与传统方法相比,该方法能减小电流波动和推力脉振,提高了PPML电机的控制性能。     

无槽圆筒永磁直线同步电机推力波动的解析模型及抑制方法EI北大核心CSCD

无槽圆筒型永磁直线同步电机(slot-less tubular permanent magnet linear synchronous machine,STPMLSM)既避免了齿槽结构引起的齿槽力,又解决了初级铁心加工困难的问题,其推力波动主要来源是初级铁心端部效应和三相绕组电感不对称,介于齿槽结构与空心结构之间,推力波动的准确计算是此类电机设计与优化的关键。建立考虑初级端部效应的STPMLSM精确子域解析模型,能够快速计算空载与负载工况下的气隙磁密与推力波动,保证计算结果的准确性和高效性。基于该解析模型,提出初级铁心长度、三相绕组位置及匝数分配的综合优化方法,有效降低STPMLSM的负载推力波动,样机的推力波动从11.04%降到2.78%。最后,有限元模型和样机实验验证精确子域解析法及优化方案的正确性。     

圆筒永磁直线电机设计及推力波动研究

圆筒型永磁直线电机无需中间传动装置便可实现直线运动,使系统结构简单、响应快,但其存在推力波动大的问题。为了减小电机推力波动,提高电机推力性能,本文重点从初级铁心长度、极弧系数和闭口槽的使用3个方面对电机结构进行了分析,研究其对电机推力的影响。最终确定了圆筒直线电机的设计方案,并制造出样机,所得结果为圆筒型永磁直线电机设计提供了理论依据。     

基于扩展绕组函数的直线异步电动机动态特性

基于绕组函数概念提出了单边直线异步电动机的扩展绕组函数,不仅适用于电机极数为偶数的情况,也满足直线异步电动机极数可能为奇数的特点。该扩展绕组函数能够方便计算直线异步电动机静态纵向边缘效应带来的三相绕组不对称对电机性能的影响。同时,该方法在计算直线电机俯仰状态和电磁气隙不均匀等情况下的初级绕组电感、动态推力和法向力等方面应用效果良好。     

基于卷积神经网络的直线同步电动机电枢绕组故障诊断

通过绕组函数理论对直线同步电动机进行分析,提出一种基于卷积神经网络(CNN)的直线同步电动机故障诊断方法。从直线同步电动机的数学模型出发,基于绕组函数理论对电动机正常状态和匝间短路故障状态进行仿真,对电流波形图进行快速傅里叶变换(FFT)得到不同状态的数据集。利用CNN中的GoogLeNet网络结构,在保持网络空间维度的同时不增加故障诊断的计算量。将数据集输入到网络模型进行故障诊断,仿真结果表明GoogLeNet网络结构对直线同步电动机电枢绕组的短路故障识别率达到了96.5%以上。     

永磁直线同步电动机起动性能分析

介绍了永磁直线电动机的基本结构,从其基本原理出发,建立了永磁直线同步电动机的动态模型,分析了永磁直线电动机在起动过程中的电枢电压、电流、推力及起动速度等,进行了MATLAB仿真和永磁直线同步电动机微机测试装置的测试,并对实验结果进行了分析。     

直流电动机新论

作者在对新一代直流电动机(New DCM)的研究中发现并提出了直流旋转磁场这一电机学的新概念,是用换向控制器来控制电子换向器中功率开关管的导通状态及变化顺序,让通电直流电枢绕组磁势沿电枢表面圆周旋转而达到的。与交流旋转磁场一样,都是电枢绕组电路产生的磁势,它的旋转是由于电枢绕组线圈内电流瞬时值沿圆周分布变化引起的,与定转子机械相对运动没有关系。从转子的角度看电枢的旋转磁势是直流绕组电流还是交流绕组电流产生的并没有什么区别,所以对应不同的转子结构也能构成类似于交流同步电动机和交流异步电动机基本作用原理的电动机,又有所区别,出现了直流同步电动机和直流异步电动机的新概念和新名称。该文的研究有助于加深认识和开阔思路。     

A brushless three-phase synchronous motor using the armature winding as both load and DC excitation winding

This paper presents a new brushless three-phase synchronous motor which has no exciter. The technique applied to the motor provides an effective way for conventional brushless synchronous motors to simplify the system configuration. The stator of the motor is equipped with a double-star connected armature winding which has two neutral points. The rotor is a cylindrical one, which is equipped with a two-phase field winding. The field winding is connected with shaft-mounted rectifiers. A dc voltage is applied to the two neutral points of the armature winding to obtain the rotor excitation when the motor is operated at synchronous speed. At that time. the armature winding acts as a stator dc exciting winding while also acting as a load winding. In this paper the principle and characteristics of the motor are described. and the experimental results are shown. It is confirmed that with a 2-kW experimental machine, the proposed motor has good performance. For example, by adjusting the stator dc current, this motor power factor can easily be controlled within a wide range.     

横向磁场磁通切换电励磁磁悬浮直线电机的研究

在传统磁通切换直线电机的基础上,提出了一种可用于轨道交通的横向磁场磁通切换电励磁磁悬浮直线电机(TMFFSEEMSLM)。研究TMFFSEEMSLM的结构与运行原理,该电机的定子为U形磁极,动子为双H形并通过横梁连接,产生横向磁通进行导向,电枢绕组和励磁绕组均位于电机短初级上实现磁通切换,次级仅由导磁铁心构成,电励磁实现气隙磁场调节,极大地降低了远距离轨道交通的制造成本,磁悬浮使电机的初级和次级实现无摩擦运动;建立该磁悬浮直线电机的数学模型,推导电压、磁链方程以及悬浮力、电磁推力和导向力的解析表达式;建立电机的三维有限元模型,分析电机的磁场分布及其电磁参数,对电机的悬浮力、电磁推力、导向力进行仿真,研究结果验证了电机结构的可行性,可以实现牵引、悬浮与导向的一体化。     

次级分段直线磁阻电动机的分析

利用凸极同步电机的理论,对次级分段直线磁阻电机进行了分析,推导出直轴和交轴区反应电抗、功率因数以及驱动力等一般表达式。证明了次级中心开浅槽的直线磁阻电机在功率因数、驱动力等方面比一般的直线磁电机都有一定的提高。讨论了该电机应用于中低速磁悬浮列车的可能性。     

Principle and basic characteristics of linear synchronous motor with half‐wave rectified self excitation

This paper presents the principle and basic characteristics of a novel linear synchronous motor based on “half‐wave rectified self excitation principle.” The field winding is short circuited through a diode and the armature winding consists of conventional three‐phase windings. If the amplitude of the balance three‐phase currents is modulated by an alternating wave with bias frequency, the produced magnetomotive force pulsates at the bias frequency and moves at the synchronous velocity. This pulsating magnetomotive force induces the electromotive force with a bias frequency in the field winding. The field excitation is obtained by rectifying the electromotive force with the diode in the field winding. In this paper, the authors design and build an experimental machine and confirm its basic characteristics. They also deduce the performance equations and investigate the thrust ripple reduction. © 2008 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 165(1): 82–90, 2008; Published online in Wiley InterScience ( www. interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20684     

A vector control scheme for a PM linear synchronous motor in extended region

In an effort to increase strokes, we consider the control of a permanent-magnet linear synchronous motor (PMLSM) in an extended region where the armature winding is partially out of the PM field range. As the armature winding travels beyond the PM field range, the force output is reduced while the force ripple increases. In this work, a back-electromotive-force model is established in the extended region, and an optimal control method is proposed. Experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed method.     

十二相同步电机空载特性及其绕组参数计算

针对凸极式同步推进电机的空载特性及其绕组参数与电机结构、定转子齿槽、磁场饱和等紧密相关的问题,分析了在不同励磁电流下同步推进电机相反电势的数值计算方法,提出了采用电机磁场能量微动法计算相绕组的参数,并对一台十二相同步推进电机的绕组参数及其空载特性进行了计算和测量。结果表明,提出的方法适用于分析多相同步推进电机的空载特性和绕组参数。     

基于次级错齿的C型铁心双边直线永磁开关磁链电机

直线永磁开关磁链电机(LFSPM)适合长次级直线驱动场合,这是由于永磁体和电枢绕组都在短初级,而长次级结构简单可靠性高。很多应用场合都要求电机具有高推力,但往往也需要低的推力脉动。为此,对1台双边C型铁心的直线永磁开关磁链电机(DSLFSPM-C)进行研究和改进。利用有限元软件先对电机进行推力优化,然后为了在不影响平均推力的情况下有效地减小推力脉动,分别利用次级错齿和端部永磁体两种结构对电机进行了改进。分析结果表明,改进后的DSLFSPM-C具有相对较低的法向力、高的推力输出以及较低的推力脉动。