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横向磁场直线开关磁阻电机的解析建模与控制

张瑞芳  
【摘要】:磁悬浮式与轮轨式直线牵引系统相比,前者应用悬浮力将车体悬浮,以提高运行速度,后者采用轮轨导向降低了控制难度,但较大的向下法向力增大了车辆对轨道的压力,增大了轮轨间的摩擦阻力。半磁浮式城轨交通直线牵引系统,通过改变电机法向力方向以近似抵消车体重量,降低轮轨阻力,实现半浮式控制,即车体不脱离轨道,不会使系统控制复杂。 横向磁场直线开关磁阻电机(Transverse Flux Linear Switched Reluctance Motor,简称TFLSRM)是近些年来引起关注的一种新型开关磁阻电机。TFLSRM同时具有直线电机和开关磁阻电机的优点,而且其磁通与电机运动的方向垂直,实现磁路与电路在几何结构上的解耦,能够根据需要灵活设计电机。采用TFLSRM的半磁浮式牵引系统,不存在端部效应,利用电机各极磁路独立的特点,实现模块化设计,可降低建设费用。 本文根据TFLSRM自身的结构和磁路特点,建立了磁路等效模型,采用基于变椭圆系数的椭圆形磁路和直线磁路分割方法求取气隙磁导,考虑了次极极宽大于初极极宽的影响,推导出一个完整周期的气隙磁导表达式,进而建立了牵引力和法向力数学模型。应用有限元分析验证了所建模型的正确性。基于该模型,分析了次极极宽和气隙宽度对牵引力、法向力的影响。 有效地控制TFLSRM的牵引力和法向力,使两者的脉动均减小,是实现半磁浮式城轨交通车辆TFLSRM牵引系统必须要解决的难点。本文基于开关磁阻电机(SRM)的直接转矩控制(DTC)理论,提出了同时控制TFLSRM牵引力和法向力的方法。仿真结果表明,该控制方法合理、有效。 目前实际应用中,SRM一般都采用位置传感器来获得位置信息,但这些直接检测转子位置的传感器结构比较复杂,安装也不方便,不仅增加了系统结构的复杂性,也增加了系统成本和不稳定性。基于旋转SRM的改进磁链法,本文研究了TFLSRM的间接位置控制方法,并进行仿真验证,仿真结果证明其合理、有效。 由于目前半磁浮城轨TFLSRM牵引系统仍在研制阶段,为完成对控制方法的验证,本文利用RT-LAB实时仿真平台,结合DSP控制器建立TFLSRM的硬件在回路模型,实现了半实物仿真。


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