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面向电磁弹射器的无铁心永磁直线电机及其控制方法研究

作　者: 宋益明
导　师: 郝双晖
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 电磁弹射器无铁心永磁直线同步电机有限元法自律分散控制电流补偿
分类号: TM359.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

电磁弹射器是随着现代海洋军事的发展而出现的一种应用于航母舰载机弹射起飞的装备,它的主体是一台大功率直线电机。随着永磁直线同步电机的快速发展,其在电磁弹射器上得到了越来越广泛的应用。而我国对电磁弹射器相关技术的研究才刚刚起步,本文针对电磁弹射器的直线电机及控制方法展开理论研究,这对未来电磁弹射器驱动系统的开发具有重要意义。电磁弹射器的发展现状表明,目前对电磁弹射器的直线电机研究主要是围绕有铁心永磁直线同步电机展开的。这种结构的不足主要体现在高速作业阶段直线电机的运行效率低。针对此问题,本文构建了一种在低速段和高速段分别采用有铁心和无铁心永磁直线同步电机组合的电磁弹射器直线电机总体结构。为降低电机设计制造难度,基于模块化思想提出对小功率单元无铁心永磁直线同步电机进行研究。首先,选择了适合于模块化设计的绕组方案。利用解析法对电机的气隙磁场进行分析,并推导了其在矢量控制下的推力模型。然后,分析电机动子极距对电磁推力的影响规律,确定了电机的动子极距方案。基于有限元法,利用仿真软件对无铁心永磁直线同步电机的电磁场进行分析,研究了不同电磁结构参数对电机电磁推力特性的影响规律。同时,还以推力大、波动小为优化目标对电机的结构参数进行了选择。并在此基础上,对直线电机的气隙磁场进行动态仿真分析,研究了无铁心永磁直线同步电机气隙磁场的分布特点。针对电磁弹射器的特殊应用场合,本文还对直线电机的自律分散控制方法进行了研究。建立了这种控制方式下的电机数学模型。在此基础上,建立了直线电机的解耦控制模型并对自律分散控制器的电流环进行了设计。最后,对绕组某些模块开路故障后进行了电流补偿分析,并进行了仿真实验。保证了开路故障前后的定子总磁动势不变,进而保持故障前后的推力恒定。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题研究背景及意义  10-11
  1.2 国内外电磁弹射器发展现状  11-13
    1.2.1 国外电磁弹射器发展现状  11-12
    1.2.2 国内电磁弹射器发展现状  12-13
  1.3 永磁直线同步电机研究现状  13-15
    1.3.1 有铁心直线电机研究现状  13-14
    1.3.2 无铁心直线电机研究现状  14-15
  1.4 直线电机自律分散控制概述  15-16
  1.5 本文的主要研究内容  16-17
第2章电磁弹射器的永磁直线同步电机总体结构  17-28
  2.1 引言  17
  2.2 永磁直线同步电机的基本原理及特点  17-21
    2.2.1 永磁直线同步电机的基本原理  17-18
    2.2.2 永磁直线同步电机的类型特点  18-21
  2.3 电磁弹射器对直线电机的推力要求  21
  2.4 电磁弹射器作业时直线电机的效率分析  21-23
  2.5 电磁弹射器的直线电机总体结构  23-27
  2.6 本章小结  27-28
第3章无铁心永磁直线同步电机的设计方案研究  28-39
  3.1 引言  28
  3.2 直线电机的定子绕组方案分析  28-29
  3.3 直线电机的气隙磁场解析模型  29-33
    3.3.1 气隙磁场分析模型的简化  29-30
    3.3.2 气隙磁场解析模型的建立  30-33
  3.4 直线电机的推力解析模型  33-36
  3.5 直线电机的动子极距分析  36-38
    3.5.1 空载漏磁系数与极距的关系  36-37
    3.5.2 极距对电磁推力的影响  37-38
  3.6 本章小结  38-39
第4章无铁心永磁直线同步电机的电磁特性分析  39-54
  4.1 引言  39
  4.2 直线电机有限元模型的建立  39-40
  4.3 直线电机的推力特性研究  40-47
    4.3.1 直线电机结构参数对推力的影响  40-42
    4.3.2 直线电机的电磁推力优化分析  42-44
    4.3.3 直线电机的电磁推力波动分析  44-46
    4.3.4 直线电机结构参数的选择  46-47
  4.4 直线电机气隙磁场有限元分析  47-52
    4.4.1 直线电机空载气隙磁场计算与分析  48-50
    4.4.2 直线电机负载气隙磁场计算与分析  50-52
  4.5 直线电机的机械模型构建  52-53
  4.6 本章小结  53-54
第5章无铁心永磁直线同步电机的自律分散控制研究  54-72
  5.1 引言  54
  5.2 自律分散控制策略的提出  54-56
  5.3 自律分散控制下的直线电机数学模型  56-62
    5.3.1 直线电机定子电压数学模型的建立  56-60
    5.3.2 直线电机电压数学模型的dq0 变换  60-62
  5.4 自律分散控制器的电流环设计  62-65
    5.4.1 直线电机的解耦控制模型  62-63
    5.4.2 直线电机的电流控制器设计  63-64
    5.4.3 电流响应特性的仿真实验  64-65
  5.5 自律分散控制下电机的磁动势补偿研究  65-71
    5.5.1 电机正常运行时定子的磁动势模型  66
    5.5.2 电机绕组开路故障的磁动势模型  66-67
    5.5.3 基于定子磁动势不变的电流补偿模型  67-69
    5.5.4 绕组模块开路故障仿真实验  69-71
  5.6 本章小结  71-72
结论  72-73
参考文献  73-77
攻读学位期间发表的学术论文  77-79
致谢  79

面向电磁弹射器的无铁心永磁直线电机及其控制方法研究

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