城市轨道交通用初级永磁型直线电机及其控制系统研究

直线电机城市轨道交通系统是新型的资源节约型轨道交通模式。直线感应电机具有结构简单、成本低的优点，但其效率和功率因数较永磁电机差；而传统的永磁直线同步电机，需将绕组或永磁体沿轨道全线铺设，增加工程造价。本项目提出一种新型永磁直线电机，其绕组和永磁体均置于车辆侧的初级，而轨道侧的次级仅由导磁性材料组成，集高效率和低成本于一身。本项目旨在开发出结构新颖合理的初级永磁型直线电机结构；探索该类电机电磁参数计算、设计和分析的一般方法；构建基于dSPACE的数字化驱动控制系统实验平台；研究电机优化控制的一般性规律；建立容错控制策略，提高系统可靠性；尝试总结出也同样适用于其它类型直线电机的一般规律和方法。该初级永磁型直线电机及其控制系统的研制成功，将为城市轨道交通领域直线驱动系统提供新的解决方案。不仅具有重要的科学意义和学术价值，而且具有十分广阔的应用前景。

开展了城市轨道交通用新型永磁直线电机设计与控制策略研究。该类电机的绕组和永磁体均置于车辆侧的初级，而轨道侧的次级仅由导磁性材料组成，集高效率和低成本于一身。提出了带附加齿的初级永磁型直线电机，通过在电机端部增加辅助齿，不仅可以补偿其端部绕组的磁路，而且可以减小电机总的定位力；提出了磁路互补型、模块化的初级永磁型直线电机，其初级动子由两个在空间上互差180°的模块组成，具有反电势对称、定位力小、易于加工等优点。针对地铁牵引试验的要求，设计了“双逆变器——电机”结构的地铁牵引试验平台。推导了电流谐波注入法补偿定位力矩的控制策略，通过注入谐波电流，降低了电机的转矩脉动。设计了两电机调速系统的解耦控制器，实现了系统的协调运行。研究了单极性永磁磁链定子永磁型电机的容错控制策略，考虑其梯形波反电势特性，实现了容错运行；研究了双极性永磁磁链定子永磁型电机的容错控制策略，建立了基于转子坐标系的电机数学模型，提出了基于定子磁场定向的容错矢量控制策略；分析了冗余式定子永磁型电机的绕组结构特点以及电磁特性，基于谐波转矩相互抵消的原则，提出了容错控制策略。建立了初级永磁型直线电机驱动控制系统的场路耦合仿真模型，为系统的精确分析提供了良好的仿真平台。设计并制造了初级永磁型直线电机试验样机，基于DSP和dSPACE构建了电机数字驱动控制系统，实验验证了电机在多种工况情况下的高性能运行。共发表论文26篇，其中SCI收录14篇（11篇论文发表于IEEE Transactions汇刊），累计SCI影响因子超过37；授权发明专利6项；相关成果获军队科技进步一等奖、教育部技术发明一等奖、全国优秀博士学位论文提名奖等6项奖励。