直线感应电机间接磁场定向悬浮牵引联合控制

基于气隙磁密分析,建立了适用于间隙变化的直线感应电机动态数学模型以及推力和法向力表达式.针对直线感应电机的运行状况,分析了法向力的排斥力分量和吸引力分量的特点,提出了一种新颖的基于间接次级磁场定向的推力、法向力独立控制策略.仅仅依靠单边直线感应电动机,实现了静态和动态稳定悬浮、以及悬浮状态下的稳定牵引运动,并在一台直线感应电机模型车辆上进行了实验.实验结果表明,提出的解耦控制方案对直线感应电机的悬浮牵引联合控制具有良好的效果.     

感应型无轴承电机的优化气隙磁场定向控制

由于悬浮力与转矩之间以及水平、垂直悬浮力之间的耦合，动态过程中感应型无轴承电机转子的悬浮将变得不稳定。针对磁悬浮力是定、转子间气隙磁密有源不平衡结果的概念，该文建立了感应型无轴承电机气隙磁场定向控制模型，进行了起动及突加负载大动态过程稳定悬浮的运行仿真。然而负载运行中转子参数变化和铁磁非线性饱和的影响，定向用气隙磁通发生了幅值及相位的变化，破坏了两正交悬浮力间的解耦条件，影响了转子的稳定悬浮性能。对此，该文又提出了一种优化气隙磁场定向控制策略和系统，通过对气隙磁链幅值和相位的实时修正，实现了在气隙磁场定向基础上的动态解耦控制，有效地提高了考虑参数变化及计及饱和时感应型无轴承电机的实际悬浮运行能力，为实际系统的动态解耦控制提供了实施途径。     

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。     

单边直线感应电机复合次级对牵引力影响

单边直线感应电机通常采用复合次级来提供较大的牵引力和较小的法向力。通过对单边直线感应电机牵引力计算公式的分析,找到复合次级与牵引力的关系,提出一种能提高电机效率的多阶段变化次级铝板厚度方案。该方案通过改变次级铝板厚度来实现各种运行速度下的最大牵引力。采用有限元仿真出次级轭铁、次级铝板对牵引力的影响,仿真出多阶段变化次级铝板厚度方案提供的最大牵引力,并与固定复合次级方案进行比较,验证多阶段变化次级铝板厚度方案的优越性。     

考虑悬浮系统影响的高速磁悬浮列车牵引控制策略

常导电磁式高速磁悬浮列车采用长定子直线同步电机驱动,电机的励磁磁极同时也是悬浮电磁铁,车辆的牵引力和悬浮力存在严重的非线性耦合关系,运行过程中悬浮系统的调节会对牵引系统造成影响,引起牵引力波动。该文建立考虑悬浮系统影响的长定子直线同步电机数学模型,针对牵引力波动问题,提出一种基于磁链观测的控制策略,该策略基于扩展反电动势法来观测磁链,通过将磁链参数应用于速度环和电流环,在线调整定子q轴电流从而抑制由悬浮系统引起的低频牵引力波动。但该策略在低速时磁链观测存在误差、性能受限,在此基础上提出结合自抗扰和磁链观测的复合控制策略,通过扩张状态观测器补偿磁链观测误差以及其余扰动。硬件在环实验结果表明,该控制策略有效地抑制了悬浮系统影响造成的牵引力波动,提高了磁悬浮列车的抗负载扰动能力和系统动态性能。     

无轴承异步电机的悬浮机理及其气隙磁场定向控制

无轴承异步电机运行时，因会出现转子偏心，必须对其悬浮力进行实时控制才能实现稳定运行。文章从电机悬浮机理出发，比较分析了三种悬浮力模型。其中计及转子偏心的悬浮力精确解析模型形式简单，适合对电机的实时控制。采用基于转矩绕组气隙磁场定向的控制策略，能有效地控制气隙磁链的幅值和相位，实现电磁转矩和悬浮力的解耦控制。通过matlab／simulink仿真研究，证明该方法能实现此种控制，并可以得到良好的动、静态性能。     

单边直线感应电机转子磁场定向矢量控制方法研究

单边直线感应电机运行中因次级板产生涡流而存在第二类纵向边缘效应,造成气隙有效磁通和牵引力系数降低.建立了电机d-q轴等效电路,通过d轴互感和电阻变化来反应边缘效应的影响.采用转子磁链、速度和电流3个调节器,对uds,uqs,iqs进行在线解耦补偿控制.结果表明,该方法在电机速度突变时减小了力矩脉动,定子电流过渡平滑,速度平稳,较好地改善了电机的运行性能,对实际分析提供了理论依据.     

磁浮直线感应电机的PI自适应电流可变转差频率鲁棒控制

单边直线感应电机(Single-sided Linear Induction Motors,SLIMs)作为中低速磁悬浮列车的驱动装置,其推力和法向力的耦合控制特性以及系统的抗扰动能力,对于磁浮列车的牵引及悬浮系统动态运行极为重要。本文分别建立SLIM的最大推力点和法向力过零点的转差频率-电流控制模型,研究了将两者协同优化控制的变电流分段变转差频率(Variant-Current Variable Slip-Frequency,VCVSF)策略。建立了在稳态转差频率下的法向力控制电流与悬浮气隙的二维状态空间Popov超稳定模型,通过在线性环节增加前馈补偿器保证等价反馈系统严格正实,从而实现零点处法向力稳态振动的自收敛。实验研究验证了本文所提控制算法的有效性。     

无轴承异步电机的悬浮机理及其气隙磁场定向控制

无轴承异步电机运行时,因会出现转子偏心,必须对其悬浮力进行实时控制才能实现稳定运行.文章从电机悬浮机理出发,比较分析了三种悬浮力模型.其中计及转子偏心的悬浮力精确解析模型形式简单,适合对电机的实时控制.采用基于转矩绕组气隙磁场定向的控制策略,能有效地控制气隙磁链的幅值和相位,实现电磁转矩和悬浮力的解耦控制.通过matlab/simulink仿真研究,证明该方法能实现此种控制,并可以得到良好的动、静态性能.     

基于改进磁链观测器的直线异步电动机直接牵引力控制

在考虑动静态边缘效应及运行工况对直线异步电动机参数的影响的情况下,建立了直线异步电动机动态数学模型.利用直接转矩控制参数鲁棒性好的优点,提出了与之相应的基于电压型磁链观测器的直线异步电动机直接牵引力控制策略.针对传统的电压型磁链观测器存在的幅值和相位误差,引入了相应的与低通滤波器和高通滤波器串联的补偿环节.仿真和实验结果表明,电机电磁推力的观测值与实际值基本一致,系统具有良好的动静态性能.本文所提出的方案在直线异步电动机牵引控制中具有良好的应用前景.     

初级横向偏移时直线感应电机磁场与推力的有限元分析

由于振动以及弯道等原因,直线感应电机初级和次级经常处于横向偏移状态。考虑在此种工况下,电机拓扑结构和电气结构两个方面均为不对称情况,使用3-D有限元法,分析了直线感应电机的磁场以及推力的变化。首先,给出了直线感应电机的数值计算方法和边界条件,并建立了完整3-D模型来考虑纵/横向边缘效应、初级绕组端部与次级伸出缘等参数。其次,在此3-D模型基础上,计算了不同偏移量时纵/横向的磁场分布,以及讨论了半添槽对直线感应电机出力的影响,提出了纵向和横向磁场的畸变系数,用于量化不对称的程度。最后,计算了推力在对中和横向偏移情况下的变化,并分析了该变化对实际行车中牵引力和控制系统的影响。     

基于绕组函数法的大功率单边直线感应电机牵引特性研究

将麦克斯韦方程和绕组函数法相结合,得到单边直线感应电机(single linear induction motor，SLIM)的初级、次级基波和边端效应波绕组函数。由绕组函数理论计算出电感、运动电势系数，建立电压和磁链方程。由初、次级能量关系得到推力方程并进一步求解相关特性量。对不同工况的暂态和稳态特性进行分析。将大功率电机全过程中相电流、推力、效率的计算值与测量值进行比较。试验结果表明，绕组函数法能较合理地描述SLIM特性，具有一定实用性。     

Flux synthesizing linear induction motor with super multiphase switching

A novel concept of structure and control of linear induction motors (LIMs) called “Flux Synthesizing Linear Induction Motors (FSLIMs),” is proposed where each slot has a conductor carrying an electric current whose amplitude and phase angle are controlled with super multiphase switching devices. It is well known that an LIM has the merits of direct drive and simple structure. However, a conventional LIM has low power factor and energy efficiency. The end effect is one of the significant reasons for the bad characteristics. Strategies against the effect have been limited by conventional three-phase winding. On the other hand, high-speed power-switching devices are available at a reasonable cost. A super multiphase drive enables more freedom for controls with the proposed structure of the FSLIM. Basic characteristics of a tubular test LIM with twelve slots have been measured and calculated to investigate an appropriate flux synthesis. As a result, an appropriate switching scheme which synthesizes sinusoidal distribution of the gap flux density, enables the end-effects to be suppressed and, consequently, improves the energy efficiency. In addition, basic conditions for the field-coordinated oriented control of a thrust force are satisfied by keeping the amplitude of the gap flux constant with the flux synthesis.     

Propulsion Requirements for High-Speed Vehicles with Electrodynamic Suspension

The thrust force and power requirements for the propulsion of a vehicle with electrodynamic suspension (i.e., using superconducting magnets) are discussed. Acceleration thrust, magnetic drag, and aerodynamic drag are shown to lead to calculated power requirements of 8.0 MW under acceleration, and 5.2 MW for cruising at 300 mi/h. Aerodynamic and magnetic drag forces together produce acceptable passive deceleration characteristics. Propulsion requirements under normal operation and in emergency situations (i.e., unscheduled stops) are described. Propulsion systems are discussed, and it is concluded that the linear synchronous motor is most suitable for the proposed Maglev vehicle.     

精密磁悬浮工作平台的力特性分析

构建了一种新型磁悬浮工作平台结构,该平台结构利用永磁直线电机提供水平洛仑兹力,利用电磁铁提供垂直电磁吸力,悬浮和驱动部分相互独立,避免了两者间的耦合问题,具有出力大、运动范围广、定位精密的特点。为了研究磁场饱和、纵向边端效应和倾斜角度等因素对磁场的影响,基于有限元数值方法建立了该平台的数学模型,并在模型的基础上对该平台的力特性进行了详细分析,获得了推力和悬浮力与气隙高度、电流和倾斜角度间的变化对应关系。分析结果表明该平台的电磁力具有较好的线性度,降低了控制的复杂度。     

Design of single-sided linear induction motors using a nonlinear optimization technique

Both low-speed wheel-on-rail and the medium-speed Maglev transport system with single-sided linear induction motor (SLIM) propulsion have been in practical application. This paper presents the method of optimizing the design parameters of SLIMs using the nonlinear optimization method. The optimization problem is formulated by the use of the design formulas taking into account the end effect, skin effect and airgap leakage, and the transformation method and the simplex method are applied to solve the problem. Seven parameters, such as the number of poles, the pole pitch and the stack height, are chosen as the independent variables. The output kW/input kVA, the maximum flux density in the core teeth, the temperature increase, the primary length, the stack height and the maximum thrust are selected as the constraint functions. The performance characteristics are estimated using space harmonic analysis as well as the approximate equations. The method is applied to the SLIM design for urban transit, and the maximum speed is about 70 km/h. As the transformation methods, the interior point transformation and the exterior point transformation are compared from the viewpoints of accuracy and CPU time. The design is analyzed under several objective functions, the primary weight, the input kVA and the cost of secondary materials.     

直线异步电机在线搜索法效率优化控制

直线异步电机具有较好的直接传动特性,但是由于气隙较大以及边端效应的存在,运行效率较低.本文提出了一种在线搜索效率优化方法,能够提高电机轻载运行时的效率,降低电机能耗.该方法采用黄金分割法进行全局寻优,搜索确定励磁电流分量与推力分量之间的最优比率.算法收敛速度较快,不依赖电机模型参数,而且不需要随电机负载力变化而重新启动搜索.实验结果验证了算法的正确性与电机效率优化效果.     

永磁同步电机最优直接转矩控制

永磁同步电机转矩中定子磁链幅值和转矩角均为可控变量,直接转矩控制的实现方法不唯一。根据永磁同步电机定子磁链和转矩角均可控的特点提出了一种最优直接转矩控制方法。该方法不要求保持定子磁链幅值恒定,直接以转矩为最终控制目标选择最优电压矢量实现对电机转矩的直接控制,省去了传统直接转矩控制方法中的磁链环。实验结果验证了理论分析的正确性和转矩控制方法的可行性。