城轨交通用双边磁通切换永磁直线电机及其效率优化控制的研究

The development trend of rail transit system is the large capacity of subways and light rails. Based on the advantages of the linear rail transit, the linear machine delivery systems increasingly becomes the preferred mode of urban rail transit. The research on bilateral linear flux-switching permanent magnet machine and its efficiency-optimization control for urban rail transit in this project provides an efficient, reliable, low cost solution and low thrust fluctuation for long distance transmission system. First, a nonlinear equivalent magnetic circuit method is put forward to the initial design of motor, the finite element method (FEM) is used to the modeling and simulation on the motor, the initial structure parameters of the machine is determined by the analysis and calculation of electromagnetic performance. Secondly, the influence of the structure parameters on the performance of motor is analyzed by FEM, Response surface method (RSM) and particle swarm optimization (PSO) are put forward to optimize the structure parameters of motor for obtaining the optimal structural parameters of motor. And then, the influences of the operation mode of rail transit on energy consumption of traction motor are analyzed, the control strategy of linear motor minimum loss based on vector control is put forward to control the motor for achieving optimum efficiency. Final, processing prototype, developing efficiency-optimization control system and setting up experimental test platform, the test and performance evaluation of the system are completed.

大运量地铁和轻轨的发展是城轨交通系统重要的发展方向，基于直线轨道交通的优点，直线电机运载系统日渐成为城轨交通牵引传动系统的首选模式。本项目开展适用于城轨交通系统的双边磁通切换永磁直线电机及其效率优化控制的研究，为长距离传输系统提供了一种高效、可靠、低成本及推力波动小的解决方案。首先提出非线性等效磁路法对电机进行初始方案设计，采用有限元法对电机进行建模与仿真以及电磁性能的分析和计算，确定电机的初始结构参数；其次分析电机结构参数对电机性能的影响，采用响应面曲线法和粒子群算法对电机结构参数进行优化，获得最优电机结构参数；然后分析轨道交通运行方式对牵引电机能耗的影响，提出基于矢量控制的直线电机最小损耗效率优化控制策略对电机进行控制实现效率最优；最后研制样机和效率优化控制系统搭建实验测试平台，完成系统测试实验和性能评估。

本项目开展适用于城轨交通直线牵引电机的相关研究，针对目前直线牵引电机存在效率低，功率因数低，功率密度较低等缺点，提出一种长次级定子齿错位的双边磁通切换永磁直线电机。主要获得了此类电机的电磁设计、结构参数优化设计及效率优化控制策略相关方法理论，以提升电机的性能。. 完成的主要研究工作如下：研究揭示了双边磁通切换永磁直线电机拓扑结构原理和磁路结构变化规律；获得长次级定子齿错位的双边磁通切换永磁直线电机的拓扑结构以及电机的运行性能；研究揭示了双边磁通切换永磁直线电机定位力、磁场谐波的产生机理以及定位力和磁场谐波随电机结构参数的变化规律；建立了电机的等效磁路模型，研究磁路模型中电机铁芯的结构参数对气隙间漏磁通的影响规律，通过优化铁芯结构减少初级端部漏磁和气隙磁阻的变化率，减小电机的定位力，提高了电机的推力性能。采用贝塞尔曲线(Bezier curve)拟合磁感线在初级铁芯内的流通曲线，优化了电机初级铁芯端部的结构，采用响应曲面法(Response surface method，RSM)改进了电机次级齿槽的结构，并增加了磁桥结构，进一步减小了定位力和推力波动；提出了一种三段不等厚的永磁体模型，采用RSM对永磁体模型的结构参数进行多变量优化，获得使永磁体工作在最大有效磁能时的尺寸参数，提升了永磁体的利用率。建立了双边磁通切换永磁直线电机的数学模型，研究了磁通切换永磁直线牵引电机效率优化控制策略，提高了电机的效率；确定了样机的结果参数，完成了样机的部分加工工作，搭建了基于半实物仿真的控制系统平台，后续对样机进行测试。. 基于本项目研究，项目负责人发表论文7篇，其中SCI/EI收录5篇，申请发明专利4项，其中授权2项，培养硕士研究生11名（已毕业2名）。