A Permanent Magnet Linear Synchronous Motor Drive for HTS Maglev Transportation Systems

A permanent magnet linear synchronous motor （PMLSM） for a high temperature superconducting （HTS） maglev system has been studied, including the motor structure, control strategy, and analysis techniques. Finite element analysis （FEA） of magnetic field is conducted to accurately calculate major motor parameters. Equivalent electrical circuit is used to predict the drive＇s steady-state characteristics, and a phase variable model is applied to predict the dynamic performance. Preliminary experiment with a prototype has been made to verify the theoretical analysis and the HTS-PM synchronous driving technology.

考虑端部效应的动子无源型Halbach磁悬浮永磁直线电机电磁力分析

针对光刻机等高精确度定位平台无摩擦、无接触、无噪声需求,提出一种采用动子无源型平移和悬浮一体化Halbach磁悬浮永磁直线电机以实现定位平台的无摩擦悬浮及长距离定位运动。为了精确分析该类电机的悬浮力和推力特性,提出一种考虑动子永磁体端部效应的电机磁场解析模型并采用傅里叶分解法得到Halbach阵列永磁体磁场解析式。基于此磁场解析模型,通过洛伦兹力法得到了动子电磁力解析模型,并基于正交分解法推导了电机悬浮力和推力解耦的电磁力模型。结合有限元仿真对建立的电磁模型进行了对比验证,在此基础上,设计并制作了一台10极12槽样机,通过搭建实验平台进行推力和悬浮力测试,将实验测试值与有限元仿真值和解析值对比验证了所提出方法的准确性和快速性。

电磁型混合磁极直接自适应模糊悬浮控制方案的研究

电磁型电磁永磁混合悬浮磁悬浮列车的悬浮系统是一个开环不稳定、强非线性时变系统。该文在分析了混合悬浮系统的工作原理的基础上,给出了一种电磁型磁悬浮系统直接自适应模糊控制器的设计方法。为了使控制算法在气隙变化的情况下能更快地收敛,提出了一种新的复合自适应算法。该算法能更加充分利用已有的先验知识,从而使系统的动态响应速度更快,跟踪误差更小。计算机仿真和实验结果都验证了理论分析的正确性。

磁悬浮直线电动机H_∞鲁棒控制器及其蚁群算法优化设计

磁悬浮永磁直线电动机在结构上取消了机械传动的中间环节,具有磁悬浮和直接驱动的特点.针对磁悬浮永磁直线电动机由于悬浮高度不同,在磁悬浮和直接驱动运行过程中存在自身参数摄动和外界干扰突出的问题,设计基于蚁群算法的H_∞鲁棒控制器,以保证系统对这些不确定性具有良好的鲁棒性.建立包含磁悬浮永磁直线电动机参数摄动和外界干扰的状态空间模型.推导出无须满足正则条件约束的Riccati不等式,给出H_∞鲁棒控制器的解析表达式.针对H_∞控制器中加权矩阵选择的困难,采用蚁群算法对加权矩阵进行寻优.最后在MATLAB环境下对控制系统进行仿真研究.仿真实验表明基于蚁群算法的磁悬浮永磁直线电动机控制系统的性能比优化前有较明显改善,说明该方法的可行性和有效性.

高温超导运动磁场电磁Halbach初级结构直线感应磁悬浮电机

提出一种高温超导运动磁场电磁Halbach初级结构的直线感应磁悬浮电机,该电机通过在初级高温超导电磁Halbach绕组中通入三相交变电流产生运动的交变磁场,与其在次级导体中感应出的涡流磁场相互作用产生悬浮力和推进力。介绍了该电机的结构和原理,利用矢量磁位和边界条件对电磁Halbach阵列所产生的磁场进行解析计算,得到电机各部分磁通密度的表达式,建立电机的数学模型。通过研究分析,设计制造了一台铜绕组样机进行相关实验研究,验证解析计算的合理性。

无铁心直线感应悬浮电机非均匀气隙工况的三维磁场与力特性分析

该文以适用于低真空管道高速磁浮列车的无铁心直线感应悬浮电机为研究对象,针对其运行过程中可能存在的非均匀气隙工况,在直角坐标下建立该电机的磁场和电磁特性的三维解析模型。首先,介绍该直线感应悬浮电机的拓扑结构及其工作原理;其次,采用积分法求解得到直线感应悬浮电机初级的三维空间磁场分布函数,并对该磁场分布函数进行傅里叶级数转换,使电机初级三维磁场函数具有形式上连续统一的解析表达式;再次,基于二阶矢量磁位(second order vectorpotential,SOVP),提出无铁心直线感应悬浮电机可考虑任意气隙(均匀、不均匀)工况的三维解析模型,推导出悬浮力、牵引力、涡流损耗等电磁参数的解析表达式,并通过有限元法验证解析计算的准确性;最后,通过小型样机试验,来验证理论计算的合理性。

基于虚功法的直线同步电机电磁力计算

为计算电磁型磁悬浮列车(EMS-MAGLEV)使用的直线同步电机的牵引力及悬浮力,提出了用虚功法进行电磁力计算;同时建立了EMS型磁悬浮列车的有限元分析计算模型,推导出牵引力和悬浮力的计算公式,并将计算结果与成熟的商业软件ANSYS计算出的结果进行了比较,从而证明了用虚功法计算电磁力的正确性;另外,上述方法可以直接添加进现有的有限元软件,具有很好的兼容性。

磁悬浮进给机构的PID控制及仿真试验

采用磁悬浮技术把运动部件悬浮在运行导轨之上,利用直线电机无接触驱动运动部件,从而实现机构的进给运动,该运动无摩擦和磨损,是一个无阻尼系统。选用合理的增益系数后,运用PID控制技术可对机构的进给运动进行精确的控制。仿真结果与精度分析表明,磁悬浮无阻尼结构有利于改善进给机构的位移输出动态性能,提高运动控制精度,控制精度误差不大于0.6μm或0.2μm。

常导型高速磁悬浮列车中悬浮电磁铁的程序化优化设计

常导型高速磁悬浮列车中的悬浮电磁铁同时承担着悬浮、推进、发电等多项任务,其几何参数直接影响到列车电磁系统的性能。在对悬浮电磁铁进行优化设计时,需要综合考虑直线同步电机和直线发电机这2个子系统的性能。为此引入全局化的目标函数对系统的总体性能进行控制,并以有限元分析和计算作为基础,采用程序化优化设计方法对悬浮电磁铁的几何参数进行自动调整,经过多次迭代计算可得到优化设计的结果。

高温超导直线电动机技术(英文)

随着高温超导材料制备技术的进步,应用高温超导块材和带材研制开发直线电动机已具备了核心技术基础。该文总结了已研制出的高温超导直线电动机类型,并建立了它们的结构模型。应用磁场有限元方法,研究了这些不同类型高温超导直线电动机的电磁特性,并设计了实际模型装置进行了试验验证。通过高温超导直线电动机在磁悬浮车及电磁飞机弹射器等交通运输领域中的应用分析,验证了高温超导直线电动机技术在实际应用当中的潜在优越性。

EMS型磁悬浮列车瞬态电磁场有限元分析及其悬浮力和牵引力特性研究

利用Ansys单元生死技术和磁接触单元,提出了EMS型磁悬浮列车直线同步电机时变电磁场瞬态分析的计算模型。以TR08磁浮列车直线电机为研究对象,分析了车速430 km/h,转子移动半个周期,一个定子极距工况下,气隙磁场的瞬态变化和牵引力、悬浮力的波动情况。得出在半个周期内,悬浮力和牵引力均存在3倍频波动,但牵引力波动相对幅度较大;电枢电流的相位角对悬浮力和牵引力存在明显影响;功角90°时的气隙合成磁场中,转子直流励磁磁场占有绝对优势等结论。

Halbach型空芯直线电动机绕组磁动势及牵引力计算

从电流产生的磁场出发,推导了三相绕组产生磁动势在空芯直线电动机中的分布,并对基波磁动势进行了具体分析,得到其行波表达式。又采用解析法对Halbach型直线电动机的牵引力进行了研究,得到牵引力计算简单有效的解析公式,并用ANSYS对解析公式进行了验证,证明了解析法的准确性。

高速磁浮动车直线电机（LIM）三维法的特性计算

介绍一种计算误差较小的，新型的三维空间谐波分析法。着重阐述其特性计算公式的导出以及气隙磁密的空间分布、实例计算的分析等。

磁悬浮列车在双端供电模式下的无速度传感器控制

磁悬浮列车实现稳定运行的核心技术在于如何准确获取列车的速度、位置和电机角度信息。针对磁悬浮列车在高速运行时采用并联供电的特殊模式,将交流电机的扩展反电动势原理推广到长定子直线同步电机的控制中,建立长定子直线同步电机供电系统的数学模型;借鉴旋转电机的扩展反电动势原理,设计磁浮列车的扩展反电动势观测器;采用锁相环的方法得到磁悬浮列车的速度以及转子角度。在半实物仿真平台上验证了该无速度传感器控制策略的有效性。

中速磁悬浮列车分段式长定子永磁直线同步电机牵引控制策略

采用分段式长定子永磁直线同步电机牵引的中速磁悬浮列车在定子段换步时,相邻定子段绕组交链的永磁磁链的改变会导致牵引力损失,除此以外,在牵引过程中,馈电电缆长度的增加使得电机漏阻抗增大,在变流器供电容量的限制下,列车无法在试验线中完成全速度运行。该文首先建立含有定子段换步的长定子永磁直线同步电机数学模型,在此基础上,提出全速度运行的换步控制策略,以及适用于该电机的弱磁控制策略。该策略对q轴电流实时分配,保证在换步区间相邻定子段的q轴电流均跟随参考值;利用电机端电压计算得到d轴电流参考值,使电机在id=0控制和弱磁控制两种工况之间平滑切换。通过硬件在环实验,验证了采用所提策略可在线路长度和变流器容量限制下,实现列车全速度运行,并消除电机在定子段换步时的牵引力损失。

基于EtherCAT的磁浮交通PMLSM驱动系统架构及控制研究

现有的高速磁浮交通系统采用直线同步电机牵引技术,然而磁浮交通系统中实际使用的直线同步电机体积庞大且造价昂贵,不利于前期开发和研究。对此,开发了一种分段式永磁直线同步电机(Permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM)牵引驱动样机,旨在以低成本的方式快速简易地部署和验证磁浮交通直线运动控制算法。针对样机,设计并实现了一种基于ARM-FPGA双核的专用控制器。双核分别承担算法部署和控制实施的功能。此外在控制器中引入了EtherCAT网络技术,以搭建低延迟和高精度的网络化控制架构,仿真和试验证明了其可行性和可用性。未来将利用该驱动系统架构开发、部署和验证更多的磁浮交通直线运动控制算法。

混合励磁磁通切换直线磁悬浮电动机电磁力的有限元计算

研究了用于磁悬浮列车牵引系统的混合励磁磁通切换直线磁悬浮电动机(HEFSLMSM)。该电动机的永磁体、励磁绕组以及电枢绕组均位于初级短动子上,而次级长定子仅由导磁铁心构成,适合于长定子磁悬浮列车的应用场合,结构简单、价格低廉、坚固耐用,可大大降低系统成本。通过研究HEFSLMSM磁悬浮运行原理,建立HEFSLMSM的磁链方程、电压方程,并且根据磁链方程和电压方程推导出磁悬浮力和电磁推力的数学模型。对电动机静态特性以及电磁力进行有限元计算,结果验证了该电动机磁悬浮运行的可行性。

常导型高速磁浮列车电磁系统参数优化设计

常导型高速磁浮列车采用悬浮电磁铁与长定子轨道构成的直线同步电机驱动,以效率高、可控性好、集成化程度高等优势成为目前唯一投入商业运营的高速磁浮方案,在中长距离的超高速、高速轨道交通领域拥有巨大发展潜力。随着应用和运营的不断加深,开展常导型高速磁浮电磁系统的精细化建模与新材料应用分析对进一步提升性能具有重要意义。本文围绕常导型高速磁浮列车悬浮电磁铁的动态电磁特性,通过有限元仿真了动态电磁过程,研究了不同电工软磁材料对悬浮力和浮重比的影响,通过正交试验设计方法确定了影响浮重比的关键参数,并提出了最优的结构参数;最后对优化前后的电磁特性进行了对比分析。研究结果表明:通过优化悬浮电磁铁铁心截面几何参数结合更换高端取向硅钢,可实现减重61.57 kg,浮重比可提升约16%。本研究所得结论对常导型高速磁浮列车电磁系统升级换代具有重要意义。

高速磁浮列车长定子直线同步电机铁耗分析

常导高速磁浮列车采用长定子直线同步电机(LLSM)驱动,其定动子铁耗与运行速度紧密相关,准确计算铁耗并分析其影响因素对更高运行速度的磁浮列车非常重要,本文基于有限元分析了LLSM的铁耗。根据磁场特性为LLSM建立了三种仿真模型,分别计算没有被动子覆盖区域的定子铁心磁场和被动子覆盖区域端部、中间的定动子铁心磁场,采用快速傅里叶变换得到了磁通密度基波和高次谐波分量;基于通用铁耗分立计算模型计算了各次磁通密度分量产生的铁耗,再根据叠加原理把三个区域磁通密度分量产生的铁耗相加就可以计算得到一段1.2 km长定子下LLSM的铁耗;对比不同速度下的铁耗得到了运行速度对铁耗的影响规律,同时也分析了铁心材料对铁耗的影响。结果表明,长定子铁耗主要由磁通密度的基波和5次、7次谐波产生,而动子铁耗则主要由齿槽效应引起的6次谐波磁通密度产生,两部分铁耗都随着运行速度的提高而快速增大。

基于分布磁路法的非晶合金高速磁浮直线电机悬浮力计算

非晶合金作为一种低损耗铁心材料,在高速电机中具有较好应用前景。为探明非晶合金在高速磁浮直线电机中应用的可行性,该文针对常导型高速磁浮直线电机,采用改进的分布磁路法分别计算硅钢和非晶合金作为长定子铁心材料时的气隙磁通密度,并结合虚位移法对比计算两种材料下的静态悬浮力。首先,针对高速磁浮直线电机长定子与动子极距不等、动子极面直线发电机齿槽以及动子轭部不连续等特殊结构,对分布磁路法加以改进,分段表征磁导率并分段计算磁压降,进而计算得到硅钢、非晶长定子在不同励磁电流下精确的气隙磁通密度。在此基础上,采用虚位移法,对比计算基于两种长定子铁心材料下直线电机静态悬浮力,并进行有限元验证。最后,实测两种材料长定子直线电机的静态悬浮力,均能满足高速磁浮列车悬浮要求,进一步验证了解析计算结果的准确性,以及非晶合金长定子磁浮直线电机的合理性。