直线同步电机的特性研究

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1、 博博 士士 学学 位位 论论 文文 论文题目：论文题目：直线同步电机的特性研究直线同步电机的特性研究 作者姓名作者姓名 卢琴芬 指导教师指导教师 林瑞光 教授 叶云岳 教授 学科学科(专业专业) 电 气 工 程 所在学院所在学院 电气工程学院 提交日期提交日期 2005 年 8 月 浙江大学工学博士学位论文 直线同步电机的特性研究直线同步电机的特性研究 博士研究生： 卢琴芬 指 导 教 师 ： 林瑞光教授 叶云岳教授 专 业 ： 电气工程 A Dissertation for the Degree of Doctor in Engineering Characteristic Researc

2、h on Linear Synchronous Motor Candidate： Lu Qinfen Supervisor： Prof.Lin Ruiguang Prof. Ye Yunyue Speciality： Electrical Engineering College of Electrical Engineering Zhejiang University August 2005 浙江大学博士论文：直线同步电机的特性研究 I 摘摘 要要 我国幅员辽阔，随着社会与经济的发展，对交通运输不断提出新的要求，尤其对中长距 离交通运输的要求更迫切，具有高速、舒适、安全、 环保等优点的高速磁悬

3、浮列车非常适 合我国国情。 为此， 我国引进了德国磁悬浮技术在上海建造了世界上首条商业运行的磁悬浮 系统， 借此来推动磁悬浮技术在我国的发展。 长定子直线同步电机是磁悬浮列车的核心技术 之一，了解掌握它的特性，对于我国早日实现磁悬浮列车系统国产化具有非常重要的意义。 除了对现有结构的长定子直线同步电机进行研究外， 还需要发展创新电机结构， 减轻车 辆电源的重量， 提高车辆的悬浮力， 发展具有我国自主知识产权的长定子直线电机结构类型。 本论文提出将高磁能积的永磁体引入到励磁磁极上， 并同时保留原来的电励磁绕组， 形成新 型的混合励磁直线同步电机，研究内容具有很重要的现实意义与学术价值。 本文主要

4、开展了以下几个方面的工作： 第一章，阐述了课题背景与选题意义，详细介绍了直线电机驱动磁悬浮列车的类型、发 展与现状，接着陈述了直线同步电机工作原理、结构形式、应用、发展趋势及研究现状，尤 其详细说明了长定子直线同步电机和新型混合励磁直线同步电机。 第二章，简要介绍 TR08 磁悬浮列车驱动系统长定子直线同步电机的结构及供电系 统，总结了它的等效电路与电磁设计方法,在此基础上计算分析了 TR08 列车用长定子 直线同步电机的特性，为长定子直线同步电机的设计与分析打下了基础。 第三章，基于有限元数值分析的方法，对长定子直线同步电机建立了一个磁极模 块下的参数化模型，详细分析了气隙磁场，在此基础上研

5、究了推力、悬浮力与气隙长 度、电枢（定子）电流、励磁电流之间的关系，掌握了它的力特性；然后研究了磁极 （动子）不同极距的影响并计算了电磁参数。 第四章，针对现代直线电机发展的趋势及现有长定子直线同步电机的不足，提出 了在现有长定子直线同步电机结构中引入永磁体，形成两种新型的混合励磁直线同步 电机，然后采用新的自适应变异粒子群优化算法(AMPSO)改善现有混合励磁直线同步电 机设计方案，提高单位电枢电流的推力。 第五章，基于有限元数值分析的方法，研究混合励磁直线同步电机的气隙磁场，证 明该新型电机的磁场调节灵活方便。基于虚位移法计算电机的推力与法向力,并研究永 磁体尺寸对力特性的影响。 第六章，

6、基于 d-q 状态方程，建立混合励磁直线同步电机的动态数学模型，重点推导出 推力、法向力与永磁体、电励磁电流之间的关系，研究分析了电枢直轴电流0= d i控制的优 点与实现方法。 浙江大学博士论文：直线同步电机的特性研究 II 第七章，通过制造样机，对样机进行一系列实验，测取不同条件下的推力，通过实验证 明本文所研究的混合式直线同步电机的磁场可调性及良好的负载能力。 第八章，对本论文的研究工作和研究成果进行了总结。 在对直线同步电机特性进行深入研究的基础上，本文取得了以下几点创造性的成果： 1.对长定子直线同步电机建立了一个磁极模块下的参数化模型，分析了电机中电枢磁 场、励磁磁场之间的关系，求

7、得了电磁推力与悬浮力以及它们与电机气隙长度、电枢电流、 励磁电流之间的关系， 并计算了电机的部分电磁参数， 这些为掌握磁悬浮用长定子直线同步 电机的特性提供了理论依据。 2.鉴于现有磁悬浮长定子直线同步电机的缺点及开发自有知识产权的结构出发，提出了 两种新型混合励磁直线同步电机结构及其设计方法，并采用新的自适应粒子群（AMPSO） 算法改善现有设计方案，提高单位电枢电流的推力。 3.建立了混合励磁直线同步电机的一对极有限元参数化模型，研究了气隙磁场与推力的 变化，证明了该电机气隙磁场调节方便的优点。基于模型基础上，分析了永磁体宽度与厚度 对力特性的影响，为混合励磁直线同步电机的设计提供依据。

8、4.建立了混合励磁直线同步电机的数学模型，分析了电枢直轴电流0= d i 控制方法并 提出了实现方法。 关键词：长定子直线同步电机，电磁设计，有限元，推力，悬浮力，法向力，混合励磁，自 适应变异粒子群优化算法，电枢直轴电流0= d i 控制 浙江大学博士论文：直线同步电机的特性研究 III Abstract Chinese territory is vast, the better transportation system is needed with the development of society and economy. It is especially urgent to imp

9、rove speed of middle and long distance transportation. As one of the greatest creations high-speed MGLEV (magnet levitation train) system is suitable to our country because of its high speed, comfort, security and no pollution. Therefore, Shanghai constructed the first commercial MGLEV system in the

10、 world, which key technology is of Germany. To this system, long stator linear synchronous motor(LLSM) is critical driving device. The research results of LLSM are important to construct the MGLEV system with ourselves early. Except the characteristic study on LLSM of MAGLEV, its construction need t

11、o be innovated according to its disadvantages and the motor development trend. The innovation will lower weight of power on train and improve levitation force. The most important aim is to develop a new construction belong to us. This dissertation introduces the high performance permanent magnet to

12、excitation pole and keeps old electrical excitation winding, which is called hybrid excitation linear synchronous motor. The main content of this dissertation is as follows: In chapter 1, the background and the significance of the research are stated. The operational principle，construction style, ap

13、plication, development trend and current research situations of MAGLEV train and LSM are introduced, especially to LLSM and hybrid excitation LSM. In chapter 2, the construction and power supply system of LLSM is introduced, after that the equivalent circuit and electromagnetic design is concluded.

14、Then the characteristic of LLSM in TR08 is calculated. It is useful to design and analysis of LLSM. In chapter 3, base on FEM, the parametric model of one magnetic pole module of LLSM is erected. The magnetic field is studied in detail. Base on the magnetic field, the relations between thrust, levit

15、ation force and air gap length, stator current, excitation current are obtained. Finally, the effect of magnetic pole pitch is analyzed and some parameter of equivalent circuit is obtained. In chapter 4, the novel hybrid excitation LLSM is presented according to the disadvantage of old LLSM and deve

16、lopment trend of LSM. The design principle of this new motor is concluded. Then modern adaptive mutation particle swarm optimizer (AMPSO) method is adopted to improve the performance of old design project. In chapter 5, the hybrid excitation LLSM is analyzed by FEM, then magnetic field is calculated under different electrical excitation current. The results show the magneti