电磁发射用分段供电长初级高速直线电动机研究

The project intends to systematically study on some key technologies about sectionalized long primary high-speed linear induction motor for electromagnetic launcher. Firstly, according to the supply power, thrust, working parameters and application requirements, considering the similarities and differences between the traditional linear induction motor and this type of motor, the design methods and multi-stator coupling model would be presented, thus realizes its multi-objective optimization design. Then, a variety of methods about segmented power supply and the variation discipline about the motor parameters during the dynamic operation would be revealed, thus the optimal segmented power supply for the pulse long stoke motor would be proposed. Then, according to the special operation mode, the cause and impact of the special end effects considering the big currents and multi-stator coupling would be researched deeply, and the mathematical models including the end effects would be obtained. Then, combined with the electromagnetic launch control algorithm, the system-level simulation model including the segmented power supply process would be built, the transient process and dynamic control performance would be gained during the launch. Finally, the laboratory platform of 420kW-class multi-segment linear motor prototype would be used to perform some static and dynamic tests to verify the correctness and effectiveness of the analysis and simulation. This project would lay the foundation of the application in the electromagnetic launcher and transportation for this type of motor.

本项目拟对一种适用于电磁发射的分段供电长初级高速直线电动机的若干关键技术进行深入系统的研究。1) 综合考虑该类电机与传统直线电动机的异同点，根据电机功率、推力及工作制等参数和应用需求，提出该类电机的电磁设计方法、多定子耦合模型，实现多目标的优化设计；2）系统研究多种分段供电形式，揭示分段供电运行过程中电机参数变化及其影响规律，提出一种适用于脉冲长行程的最佳分段供电方式；3）针对该类电机的特殊运行方式，系统研究大电流、多定子耦合等情况下的电机端部效应机理及其影响，提出考虑综合端部效应影响的电机数学模型；4）建立考虑分段供电过程在内的系统级仿真模型，结合电磁发射控制算法，深入研究分段供电暂态过程及其对动态控制性能的影响。5）利用实验室已组建的420kW级多段直线电动机原理样机平台，进行静态和动态验证实验。通过本项目的研究，可以为分段供电长初级高速直线电动机在军用电磁发射和民用轨道交通领域的应用

本基金以电磁发射用分段供电长初级直线电动机为研究对象，所开展的研究和取得主要成果如下：（1）提出了分段供电长初级高速直线感应电机分析及优化设计方法。从单定子直线电机的数学模型出发，给出了描述这类电机等效电路电磁参数的计算方法，得到了该类型电机的通用设计原则和数学模型。（2）深入研究了分段供电对长初级直线感应电动机参数及其性能影响规律。针对电磁发射的特殊要求，提出了分段供电的思想和串联分段供电方法，考虑到分段切换过程中存在着暂态过程，分析了多种模态下直线电机的参数表达式，为分段供电暂态行为分析提供了理论依据。（3）较为完整的分析了长初级直线感应电动机的动、静态横向和纵向端部效应，建立了该类电机的端部效应分析体系，得到了该类型电机在高速运行时纵向边端效应对电机性能的影响并不明显的结论。推导出了动子横向端部边缘漏磁的等效电磁气隙和边缘漏感的计算公式，深入研究了多段初级LIM静态纵向边端效应的机理和影响因素。（4）对电磁发射用长初级高速直线感应电动机动态过程进行了仿真和实验研究。对高速长定子直线感应电动机进行了推力特性、气隙变化等静态性能分析，并采用动子磁场定向控制原理，对小比例样机和1:1样机进行了动态仿真分析。利用实验室已有的18段小型样机进行动态测试，在国内首次实现了300公斤、30m/s的大载荷高速动态发射，验证了系统的发射流程和发射精度。.通过本课题的研究，基本建立了分段供电长初级直线电机分析理论。课题组共发表论文17篇，其中SCI收录2篇，EI收录17篇，获国防发明专利8项，培养硕士3名，博士9名，获2015年度军队科技进步一等奖一项，2015年度国家科技进步奖创新团队奖一项，2015年度国家自然科学基金优秀青年基金一项。课题研究的结论被美国路易斯安那州立大学、伊朗科技大学、哈尔滨工业大学、浙江大学等院校的学者的广泛关注和引用。研究成果已应用于某国防重点工程，带来了显著的军事经济价值。