高推力密度容錯式軌道交通永磁直線電機及其協調控制

直線電機城市軌道交通是新型的資源節(jié)約型技術方式。直線感應電機具有結構簡單、成本低的優(yōu)點，但其效率較永磁電機差；而傳統的永磁直線同步電機，需將繞組或永磁體沿軌道全線鋪設，增加工程造價。本項目提出一種新型永磁直線電機，其繞組和永磁體均置于車輛側的初級，而軌道側的次級僅由導磁性材料組成，兼具高效率、低成本、大推力和強容錯。按照計劃，開展了電機結構研究、電磁性能分析、優(yōu)化控制策略、驅動系統等方面的工作，取得了創(chuàng)新性研究成果。提出了多種初級永磁型直線電機系統，降低了電機制造成本和系統運行維護費用，提升了推力密度、容錯能力和動靜態(tài)性能。研究永磁體陣列，提出優(yōu)化方案，實現了聚磁效應，提升了電機的氣隙磁密；運用電樞電流引起的脈動力與定位力互相抵消，抑制了電機推力波動。設計了多種結構磁場調制永磁直線電機，提升了電機的推力密度，優(yōu)化設計雙動子互補結構，合理采用導磁體隔開動子，形成模塊化互補結構，在保證電機推力密度同時，提高了電機的容錯性能。建立了電機等效磁網絡模型、有限元模型、場路耦合電機系統仿真模型，精確計算電機的電磁特性，為先進控制策略的實施提供保障。研制了電機數字控制器，實現了永磁直線電機的閉環(huán)控制、直接推力控制、開繞組控制等，綜合評估系統性能。相關成果發(fā)表SCI收錄論文22篇，授權發(fā)明專利11項，獲國家技術發(fā)明二等獎；項目執(zhí)行期內，負責人獲批國家優(yōu)秀青年基金、江蘇省杰出青年基金。 2100433B

開展了城市軌道交通用新型永磁直線電機設計與容錯控制研究。該類電機的繞組和永磁體均置于車輛側的初級，而軌道側的次級僅由導磁性材料組成，集高效率和低成本于一身。運用附加齒，減小電機的邊端效應；提出模塊化結構，降低齒槽力；引入容錯齒，增強相間獨立性；研究容錯控制策略，實現系統帶故障運行。相關成果發(fā)表（含錄用）論文29篇，其中SCI收錄13篇（11篇為IEEE Transactions期刊），累計SCI影響因子超過27；授權發(fā)明專利6項。. 擬開展高推力密度容錯式多初級永磁直線電機及其協調控制研究。兼顧推力密度和容錯性能，探尋電機優(yōu)化的邊界條件，滿足軌道交通領域對電機系統可靠性和力能指標的一致性要求；基于軌道交通直線電機的“多初級、單次級”特性，提出多初級直線電機協調運行的控制策略，提高直線式軌道交通系統的牽引性能，并探索多初級直線電機協調容錯運行控制的一般性規(guī)律。

直線電機城市軌道交通系統是新型的資源節(jié)約型軌道交通模式。直線感應電機具有結構簡單、成本低的優(yōu)點，但其效率和功率因數較永磁電機差；而傳統的永磁直線同步電機，需將繞組或永磁體沿軌道全線鋪設，增加工程造價。本項目提出一種新型永磁直線電機，其繞組和永磁體均置于車輛側的初級，而軌道側的次級僅由導磁性材料組成，集高效率和低成本于一身。本項目旨在開發(fā)出結構新穎合理的初級永磁型直線電機結構；探索該類電機電磁參數計算、設計和分析的一般方法；構建基于dSPACE的數字化驅動控制系統實驗平臺；研究電機優(yōu)化控制的一般性規(guī)律；建立容錯控制策略，提高系統可靠性；嘗試總結出也同樣適用于其它類型直線電機的一般規(guī)律和方法。該初級永磁型直線電機及其控制系統的研制成功，將為城市軌道交通領域直線驅動系統提供新的解決方案。不僅具有重要的科學意義和學術價值，而且具有十分廣闊的應用前景。

開展了城市軌道交通用新型永磁直線電機設計與控制策略研究。該類電機的繞組和永磁體均置于車輛側的初級，而軌道側的次級僅由導磁性材料組成，集高效率和低成本于一身。提出了帶附加齒的初級永磁型直線電機，通過在電機端部增加輔助齒，不僅可以補償其端部繞組的磁路，而且可以減小電機總的定位力；提出了磁路互補型、模塊化的初級永磁型直線電機，其初級動子由兩個在空間上互差180°的模塊組成，具有反電勢對稱、定位力小、易于加工等優(yōu)點。針對地鐵牽引試驗的要求，設計了“雙逆變器——電機”結構的地鐵牽引試驗平臺。推導了電流諧波注入法補償定位力矩的控制策略，通過注入諧波電流，降低了電機的轉矩脈動。設計了兩電機調速系統的解耦控制器，實現了系統的協調運行。研究了單極性永磁磁鏈定子永磁型電機的容錯控制策略，考慮其梯形波反電勢特性，實現了容錯運行；研究了雙極性永磁磁鏈定子永磁型電機的容錯控制策略，建立了基于轉子坐標系的電機數學模型，提出了基于定子磁場定向的容錯矢量控制策略；分析了冗余式定子永磁型電機的繞組結構特點以及電磁特性，基于諧波轉矩相互抵消的原則，提出了容錯控制策略。建立了初級永磁型直線電機驅動控制系統的場路耦合仿真模型，為系統的精確分析提供了良好的仿真平臺。設計并制造了初級永磁型直線電機試驗樣機，基于DSP和dSPACE構建了電機數字驅動控制系統，實驗驗證了電機在多種工況情況下的高性能運行。共發(fā)表論文26篇，其中SCI收錄14篇（11篇論文發(fā)表于IEEE Transactions匯刊），累計SCI影響因子超過37；授權發(fā)明專利6項；相關成果獲軍隊科技進步一等獎、教育部技術發(fā)明一等獎、全國優(yōu)秀博士學位論文提名獎等6項獎勵。 2100433B

當今時代，永磁直線電機在高速度、高精度、高載荷的運動控制中應用廣泛，同時也帶來了更多的模型不確定性和更強的外部擾動問題。因此，兼顧高動態(tài)和高精度的運動控制指標，降低上述問題帶來的影響是至關重要的。

《有鐵芯直線電機推力波動的分析與補償方法》以尖端精密設備——光刻機中的雙工件臺系統為研究背景，針對有鐵芯直線電機存在的推力波動問題，進行了深入的理論分析和擾動補償方案研究。

《有鐵芯直線電機推力波動的分析與補償方法》可作為從事精密機電系統研發(fā)的科研人員和工程師的參考書。