基于場路結(jié)合法的電磁彈射用新型永磁直線 同步電機的研究

杜超 孟大偉

摘要：針對彈射用直線電動機大推力、高加速度的特點，結(jié)合永磁同步電動機、雙邊動磁式結(jié)構與環(huán)形繞組結(jié)構電動機的優(yōu)點，在對動子磁場進行詳細分析后，提出環(huán)形繞組永磁直線同步電動機（DSMM?R?PMLSM）的新型動子結(jié)構。這種結(jié)構具有推力密度大、功率因數(shù)高、動子質(zhì)量輕、結(jié)構堅固以及利于分段供電與控制的優(yōu)點，非常適用于電磁彈射系統(tǒng)。通過建立電動機的數(shù)學模型，得到此類電動機運行的動態(tài)特性，對比不同結(jié)構的動子在正常運行與偏心運行時的推力性能，并且分別從場路結(jié)合解析、樣機實驗兩方面進行驗證。結(jié)果表明，采用新型動子結(jié)構的直線電動機電磁推力高、動子質(zhì)量輕、彈射時加速度優(yōu)勢明顯，為電磁彈射用直線電動機的研究奠定了基礎。

關鍵詞：電磁彈射;永磁直線同步電機;雙邊動磁式;場路結(jié)合法;推力特性

DOI：10.15938/j.emc.2019.09.009

中圖分類號：TM 359.4

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2019）09-0065-10

Investigation of permanent magnet linear synchronous motor for ?electromagnetic launch based on field?circuit combined method

DU Chao，MENG Da?wei

（College of Electric and Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：

Aiming at the characteristics of the large thrust and high acceleration of the linear motor， the advantages of permanent magnet motor， ring winding and double?sided moving?magnet structure were combined， the mover magnetic field was analysed and the ring winding permanent magnet linear synchronous motor with double?sided moving?magnet（DSMM?R?PMLSM）mover structure was proposed. Owing to its high thrust density and power factor， light mover quality， strong structure and convenience to power and control segmented， the DSMM?R?PMLSM has been the favoured choice in electromagnetic launch system. The dynamic characteristics are obtained by setting up the mathematical model of this motor type， and the thrust performances of the mover with different structures in normal and eccentric operation were compared and then rationalized in field?circuit combined analysis and in separate prototype tests. The results show that the linear motor with new mover structure has the merits of higher electromagnet thrust， lighter mover quality and better acceleration， which provides a reference for future research of linear motor for electromagnet launch system.

Keywords：electromagnetic launch; permanent magnet linear synchronous motor; double?sided moving?magnet structure; field?circuit combined method; thrust characteristics

0引言

電磁彈射裝置是一種高效的起飛輔助裝置，主要由直線電動機、儲能供電設備、電力轉(zhuǎn)換設備和控制系統(tǒng)構成。相對于傳統(tǒng)的彈射裝置，電磁彈射裝置以其推力密度高、運動部分質(zhì)量與體積均較小、閉環(huán)控制精度高、整個發(fā)射過程全程可控、維修費用低等優(yōu)點，具有更廣闊的應用前景。

作為電磁彈射系統(tǒng)的核心組成部分，彈射用的直線電動機（后文簡稱“直線電機”）將輸入的電能轉(zhuǎn)化為動能，借助電磁力或洛倫茲力，在一定時間與距離內(nèi)完成對物體的加速進而彈射。直線電機既是整個彈射系統(tǒng)動力的提供者，同時又和彈射目標一起運動，所以也是系統(tǒng)所要控制的對象，其性能的高低直接影響了電磁彈射系統(tǒng)的效率。因此國內(nèi)外的學者們從提高電機輸出推力與減小動子質(zhì)量和體積這兩方面入手，提出雙邊型動磁式這種直線電機結(jié)構，對其進行了一系列的研究與優(yōu)化。

為設計適用于電磁彈射系統(tǒng)的載荷能力強、高速大推力的直線電機，E. R. Laithwaite提出將一塊導電板動子放置在兩臺相同的直線感應電機中間，構成雙邊型的直線電機組。這種結(jié)構的電機運動部分僅僅為一塊導電板，因此加速度很大，具有很大的優(yōu)勢。海軍工程大學的馬偉明等在導電板動子的兩側(cè)上、下各放置一臺電機定子，設計了這種兩層共四臺電機定子同時工作的直線電機組。通過建立上、下層電機的等效耦合電路模型，推導了耦合特性與電機運行條件之間的關系。雖然雙邊型直線感應電機的性能很好，但是推力密度較低，學者們紛紛將目光對準具有更大推力密度、更高運行精度的永磁直線同步電機上。R. Bernhard 將永磁直線同步電機引入到無人機發(fā)射器中，并開發(fā)了此類電機的電磁設計程序。浙江大學的盧琴芬等提出了倒U型動子結(jié)構的永磁直線同步電機，中間是兩臺相同的電機定子軛部對軛部放置，再將定子兩側(cè)的兩組動子相連，構成了倒置的U型運動部分，在此基礎上重點分析了兩臺定子相對錯位的長度對電機推力波動的影響。哈爾濱工業(yè)大學的李立毅等在之前兩臺定子組合運行的基礎上，提出電樞部分為環(huán)形繞組的直線電機定子結(jié)構，運用解析法推導出電機推力密度系數(shù)的表達式，并且進行了推力與諧波的有限元分析。中南大學的張子嬌等運用等效磁化電流法，分析了環(huán)形繞組結(jié)構的永磁直線同步電機的電磁參數(shù)，并且將不同的繞組方式、不同的槽型下電機的磁場與性能進行了對比與分析。

與直線感應電機相比，雙邊型的永磁直線同步電機推力密度高、推力波動小，功率因數(shù)高，能夠更加有效利用電能;并且電機結(jié)構堅固，能夠抵消單邊磁拉力;動磁式的結(jié)構不拖動電纜運行，更加安全，運動部分體積較小、質(zhì)量較輕，在相同的電磁推力下能得到更大的加速度，更快達到所要求的最大運行速度，進而縮短起動與加速的距離;環(huán)形繞組結(jié)構的直線電機嵌線簡單、易于分段控制，具有繞組端部短、銅耗低、發(fā)熱量小等優(yōu)勢。因此，雙邊動磁式環(huán)形繞組的永磁直線同步電機以其更高的推力特性、控制精度、安全性與可靠性，更加適合應用于電磁彈射系統(tǒng)。

本文針對環(huán)形繞組的直線電機進行研究，從對電機定子與動子間磁場的分析入手，提出新型雙邊動磁式永磁直線同步電機（ring winding permanent magnet linear synchronous motor with double?sided moving?magnet，DSMM?R?PMLSM）的動子結(jié)構。并且建立環(huán)形繞組永磁直線同步電機的數(shù)學模型，分析得到電機主要性能參數(shù)的解析表達式。將相同的電機定子分別搭配傳統(tǒng)動子與新型動子進行場路結(jié)合方法分析，對比正常運行與動子偏心運行這兩種狀態(tài)下不同動子的推力特性，驗證了新型動子結(jié)構的優(yōu)越性。并在對主定子槽型與動子永磁體形狀進行優(yōu)化后，設計制造了實驗樣機，通過實驗結(jié)果對比，驗證了運用場路結(jié)合法分析永磁直線同步電機參數(shù)的準確性以及新型動子結(jié)構的優(yōu)越性。

1雙邊動磁式環(huán)形繞組結(jié)構永磁直線同步電機的動子結(jié)構

1.1傳統(tǒng)動子結(jié)構

對于永磁直線同步電機而言，電機磁場的勵磁有定子電樞繞組和動子永磁體2個部分，相對比較復雜，并且電機磁場的分析是整個電機研究的基礎，需要重點研究。由于環(huán)形繞組兩側(cè)磁極的磁化方向不同，動子永磁體的排列方式也不相同。受其影響，磁路也有2種方式：串聯(lián)磁路與并聯(lián)磁路。永磁體2種不同排列方式下的磁路分布如圖1所示。其中，牌號相同、充磁方向相反的2種永磁體用“N”和“S”表示。

在圖1（a）所示的串聯(lián)磁路中，動子的永磁體采用N-N相對的排列方式，電機磁路為沿著整個定子鐵心的一個大回路閉合曲線。相比較在圖1（b）中，動子的永磁體采用N-S相對的排列方式，電機的磁路在定子鐵心的軛部斷開，與相鄰動子的磁路連接，形成2個并聯(lián)形式的小回路閉合曲線。電磁反應產(chǎn)生的必要條件為定子電樞繞組的磁鏈與動子永磁體的磁鏈相交鏈。在永磁體N-N相對的串聯(lián)磁路中，大部分的磁力線直接穿過繞組，沒有和繞組交鏈，所以這部分不會產(chǎn)生電磁推力。而在永磁體N-S相對的并聯(lián)磁路中，永磁體磁鏈完全與定子繞組磁鏈相交鏈，上下兩部分磁場所產(chǎn)生的電磁推力方向一致，并實現(xiàn)推力值最大，故并聯(lián)磁路即N-S相對的永磁體排列方式較為合理。

1.2新型動子結(jié)構

適用于電磁彈射系統(tǒng)的永磁直線同步電機，傳統(tǒng)的雙邊型動子由N、S極相間排列的永磁體與磁軛板組成。在提供同樣的電磁推力時，為了獲得更高的加速度，現(xiàn)提出一種采用新型的動子結(jié)構的雙邊動磁式環(huán)形繞組永磁直線同步電機，如圖2所示。

新型結(jié)構采用密度較小的鋁合金板作為整個運動部分的支架，在鋁合金板的兩側(cè)分別固定永磁體，并在雙邊型次級的兩側(cè)各添加一組由硅鋼片疊制而成的輔助定子（其寬度與主定子軛部高度相同），以使磁力線閉合。

2雙邊動磁式環(huán)形繞組結(jié)構永磁直線同步電機推力特性分析

對于表貼式永磁直線同步電機，在d-q坐標下分析其穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能是十分方便的，因此以下有關電機推力的解析分析是建立在d-q坐標系下的。當定子電樞繞組為三相對稱繞組，電樞電流為三相對稱的正弦電流ia、ib、ic，電角頻率ωr可以用電樞磁場的平移速度vs表示為

ωr=2πf=πτvs。（1）

在d-q坐標系的數(shù)學模型中，將電機電樞中靜止的a、b、c三相繞組轉(zhuǎn)換為以電角頻率ωr進行移動的d、q兩相繞組，得到d-q坐標系下的電壓、電流、磁鏈方程分別為：

ud=Rid+dψddt-ωrψq，

uq=Riq+dψqdt+ωrψd。（2）

id=23iacos（-θr）+ibcos（-θr+2π3）+

iccos（-θr-2π3），

iq=23iasin（-θr）+ibsin（-θr+2π3）+?icsin（-θr-2π3）。（3）

ψd=Ldid+ψmd，

ψq=Lqiq+ψmq。（4）

式中：對于動子部分θr=∫ωrdt+θ0，θ0為初始相位。

永磁直線同步電機通常采用id=0的電流控制策略，并且這種動子磁場定向矢量控制的方式還可以防止永磁的不可逆去磁影響，此時有：

id=0，

iq=Im。（5）

ψmd=ψm，

ψmq=0。（6）

式中：Im為每相電流的幅值;ψm為每極勵磁磁鏈的幅值。其表達式為

ψm=2E1ωr=2πkdp1N1φm。（7）

電磁功率和電磁推力的表達式分別為：

Pe=32×2Pωr（ψdiq-ψqid）=3πτvsψmImP，（8）

Fe=Pevs=3πτψmImP。（9）

式中：f為電機運行頻率;τ為電機的極距;N1為每相繞組串聯(lián)匝數(shù);kdp1為繞組因數(shù);φm為主磁通;P為電機的極對數(shù)。

從以上對電機推力特性的動態(tài)分析可知，當id=0時，電磁推力隨iq變化。因此在電機運行時，只需要控制iq便可產(chǎn)生所期望的機械特性。

3雙邊動磁式環(huán)形繞組結(jié)構永磁直線同步電機的場路結(jié)合分析

對于永磁同步電動機，磁場分布比較復雜，并且雙邊動磁式永磁直線同步電機的動子兩端是斷開的，使得磁場不連續(xù)、邊緣效應明顯，所以在計算電機磁場參數(shù)時不能套用傳統(tǒng)的磁路計算方法。而有限元方法在分析磁場時，能精確表示電機各部分磁密的分布與飽和程度。因此，本文采用場路結(jié)合法，通過有限元分析軟件對磁場進行分析計算，得出直線電機各部位的磁密，進而求出磁通量以及磁鏈等磁路法不易準確計算的一些參數(shù)。再結(jié)合上一節(jié)的磁路數(shù)學模型，將得到的磁場參數(shù)代入到磁路計算中，得到電機運行時的各個輸出性能指標。

3.1電機的模型

為了便于研究，本文設計了一臺雙邊動磁式環(huán)形繞組結(jié)構的永磁直線同步電機。在保證繞組銅線導流面積和線圈電阻不變的情況下，簡化繞組形狀，并結(jié)合此種電機的結(jié)構特點，將相同的電機定子搭配傳統(tǒng)的動子結(jié)構和新型的動子結(jié)構建立電磁場有限元分析模型。其中，圖1（a）所示的串聯(lián)磁路的傳統(tǒng)動子結(jié)構用模型A表示，圖1（b）所示的并聯(lián)磁路的傳統(tǒng)動子結(jié)構用模型B表示，圖2（b）所示的新型動子結(jié)構用模型C表示，電機定子與動子各主要參數(shù)如表1所示。其中，單側(cè)傳統(tǒng)型動子與電機定子間的機械氣隙為6 mm，單側(cè)新型動子與電機主定子、輔助定子間的機械氣隙均為2 mm，2種動子單側(cè)的電磁氣隙均為6 mm。

為了簡化分析過程，忽略磁場在定子疊厚方向的變化，將電機磁場的分布等效為二維場來求解計算，并做如下假設：

1）假設永磁體沿各個方向的磁導率相同;

2）忽略鐵心飽和的影響，并認為鐵心材料為各向同性，B-H特性曲線是單值的;

3）除永磁直線同步電機主定子、動子、輔助定子和氣隙部分，其余外部磁場忽略不計;

4）動子運動僅沿水平方向，與定子間的氣隙不發(fā)生變化。

求解模型為直線電機的完整模型，根據(jù)基本假設，將矢量磁位A作為該磁場的描述函數(shù)，所需求解的二維非線性磁場的邊值問題可描述為：

Ω：2Ax2+2Ay2=-μJs-μJm，

Γ：A=0。（10）

式中：A為矢量磁位;Js為外部附加的源電流密度;Jm為永磁體等效面電流密度;Ω為整個求解域;Γ為求解域的最外層邊界。

3.2場路結(jié)合計算與結(jié)果分析

在對模型進行剖分后，給定電機主定子三相正弦恒頻電流源，電流有效值為1 320 A，對所建立的模型進行有限元計算。待電機起動并穩(wěn)定運行后，得到該電機磁力線的分布情況，如圖3所示。磁力線的路徑與第1節(jié)的電機磁路分析相吻合，故提出的新型動子結(jié)構是合理的。

將由有限元軟件仿真得到的電機磁場解析值結(jié)合磁路數(shù)學模型進行求解，得到電機電磁推力、動子運行的加速度與兩側(cè)動子的合成磁拉力隨時間變化曲線的示意圖如圖4和圖5所示。

3種動子結(jié)構的永磁直線同步電機的電磁推力曲線如圖4（a）所示。模型A的電磁推力值遠遠低于B與C，并且推力波動較大。本文設計的雙邊動磁式永磁直線同步電機作為彈射系統(tǒng)的動力推進裝置，具有較高的加速要求，對于動子運動部分的加速度，運用物理學公式a=F/m進行計算。在不考慮彈射系統(tǒng)負重的情況下，得到如圖4（b）所示的3個模型加速度的變化曲線。模型C用較輕的鋁合金板代替較重的傳統(tǒng)磁軛鋼板，不僅大幅度減小了動子的質(zhì)量，并且減小了動子對滑軌的壓力，進而減小摩擦力，使加速度明顯提升，能夠在更短的時間加速到所需的彈射速度，因此在推力方面具有較大優(yōu)勢。

在直線電機牽引的運動系統(tǒng)正常運行時，定子與動子之間存在由永磁體的強磁場產(chǎn)生的磁拉力，最高可達電磁推力的十幾倍。在圖5所示的電機兩側(cè)動子合成磁拉力的變化曲線中，因為模型A的磁路為串聯(lián)結(jié)構，定子兩側(cè)的磁場方向一致，單邊的磁拉力也指向同一方向，模型B與C為并聯(lián)磁路結(jié)構，磁場方向相對，單邊的磁拉力方向相反，所以A的合成磁拉力遠遠高于其他2個模型。而在磁路結(jié)構相似的模型B與C中，模型C每個動子的兩側(cè)均有1臺主定子與1臺輔助定子，有效地平衡了動子支架兩側(cè)永磁體的強磁場，所以模型C的合成磁拉力接近于0，曲線波動明顯小于模型B。由于磁拉力在很大程度上影響了電機運行時的摩擦力、振動、電磁推力波動以及機械張力、結(jié)構強度等，因此結(jié)合圖4與圖5可以看出，減小定子與動子間的磁拉力可以明顯地提高整個電機系統(tǒng)的推力特性與運行的可靠性。

3.3動子偏心對電機推力特性的影響

動子偏心是指電機在運行時的實際位置與原設計位置之間的偏差，主要是由于電機裝配或?qū)к壠唇拥墓钤斐?。并且在雙邊型直線電機運行的過程中，兩側(cè)動子所受的單邊磁拉力也會不斷地作用在動子上，造成實際運行位置的偏移。隨著偏心程度的增加，主定子與動子之間、動子與輔助定子之間的氣隙磁場分布變化明顯，進而改變電機的推力特性和運行性能。

現(xiàn)以圖2（a）中電機主定子中心線為參照，令電機動子向左側(cè)方向偏移，假設偏移量S從0逐漸增大至1.8 mm，分別分析動子在不同偏心位置時電機性能的變化。模型B和C在一臺動子長度下的氣隙平均磁密對比如圖6所示，電機的電磁推力與磁拉力的對比如圖7和圖8所示。

如圖6所示的氣隙磁密平均值的對比中，可以看出在電機動子未發(fā)生偏移時，左右兩側(cè)的氣隙磁密值相等，新型動子結(jié)構的電機模型C的磁密值高于傳統(tǒng)動子結(jié)構的模型B。動子逐漸向左偏移，2個模型左側(cè)動子與主定子間的氣隙磁密值均低于右側(cè)動子與主定子間的磁密值，并且隨著偏移距離的增加，與模型C相比，模型B的氣隙磁密值變化更加劇烈。

如圖7所示，隨著動子位置的偏移，在模型B中逐漸遠離主定子的左側(cè)動子的電磁推力FB-L由4.53 kN降低到4.35 kN，右側(cè)動子逐漸靠近主定子，電磁推力FB-R由4.53 kN上升到4.71 kN，在模型C中，左側(cè)動子的電磁推力FC-L由5.15 kN降低到5.11 kN，右側(cè)動子的電磁推力FC-R由5.15 kN上升到5.18 kN。通過對比，雖然2種電機的整體合成電磁推力ΣFB和ΣFC基本不變，但是在動子偏心的情況下，與模型C相比，模型B合成的電磁推力較小，并且單側(cè)動子的電磁推力變化更加劇烈。

當定子與動子的相對位置發(fā)生變化，磁拉力會隨之改變，進而影響電機的運行性能，動子材料的結(jié)構強度也需要重新進行校核。由圖8可以看出，模型B兩側(cè)動子在未發(fā)生偏移的時候，單邊磁拉力數(shù)值接近，方向相反均指向主定子方向。當電機左側(cè)動子逐漸偏移遠離主定子時，單邊磁拉力fB-L由-52.8 kN變化至-48.6 kN，右側(cè)動子靠近主定子，單邊磁拉力fB-R由52.8 kN變化至57.6 kN，兩側(cè)動子的合成磁拉力ΣfB由0增大至9 kN。模型C中，由于兩側(cè)動子外部各有1臺輔助定子，其間也存在磁拉力，進而平衡了動子與主定子間的磁拉力，單邊磁拉力的數(shù)值減小，方向指向輔助定子。在動子結(jié)構不發(fā)生偏移的時候，兩側(cè)的單邊磁拉力方向相反，約為1.8 kN。隨著動子偏移量的增加，左側(cè)動子逐漸靠近左側(cè)輔助定子，單邊磁拉力fC-L增至6.67 kN，右側(cè)動子由于逐漸靠近主定子，其與右側(cè)輔助定子間的磁拉力不足以平衡掉與主定子間的磁拉力，因而單邊磁拉力fC-R的方向改變，數(shù)值由-1.8 kN增至+2.17 kN。模型C兩側(cè)動子的合成磁拉力ΣfC也由0增大至8.84 kN。

雖然2種模型的合成磁拉力ΣfB與ΣfC數(shù)值接近，但是由于沒有輔助定子來平衡一部分的磁拉力，模型B兩側(cè)動子的單邊磁拉力數(shù)值較大，在高速運行的情況下，易造成動子結(jié)構的變形，嚴重的會使動子支架與永磁體分離。因此，電機在動子偏心的情況下運行，模型C更具有優(yōu)勢。

4新型雙邊動磁式環(huán)形繞組結(jié)構永磁直線同步電機的優(yōu)化

由上一節(jié)的仿真與分析可知，無論在正常運行還是偏心運行，模型C推力性能更高，加速能力更強，更適合電磁彈射系統(tǒng)。此種電機結(jié)構特殊，運行時主定子與輔助定子均固定不動，對定子質(zhì)量的要求不高，只需保證在主定子的軛部與輔助定子中不發(fā)生磁飽和，這樣就不會影響電機的推力性能。因此，在對主定子參數(shù)進行優(yōu)化時，在保證電機繞組匝數(shù)、繞組銅線電流密度與槽內(nèi)面積、槽滿率不變的情況下，調(diào)整槽口尺寸、槽寬與槽深，考察槽型對電磁推力的影響。主定子槽型對推力特性的影響如圖9所示，槽寬對電機電磁推力影響較為明顯，槽寬b1較寬時，較窄的齒部會引起齒部的磁飽和，推力變小。隨著槽寬變窄，推力明顯上升。同時，槽深伴隨著槽寬的減小而加深，當過深時會引起永磁體工作點的下降，因此在槽寬達到一定數(shù)值時，推力又慢慢減小。主定子齒的端部磁密最高，極易磁飽和，在保證繞組嵌線方便的同時，適當調(diào)整槽口寬度，減小齒端磁飽和程度。通過對比，當槽寬b1=13.3 mm，槽口寬b0=8.5 mm時，電磁推力較高，推力波動較小。

作為整個電磁彈射系統(tǒng)中與彈射物體共同運動的動力源，動子的設計舉足輕重，永磁體作為磁場的提供者，更是重中之重。永磁體的寬度bM決定了每極磁通量，除了改變氣隙磁密中基波占有率，還會改變動子勵磁的交直軸與主定子電樞齒槽的相對位置，直接影響電機的推力波動，常用極弧系數(shù)α，即永磁體寬度bM與極距τ的比值來分析其對電機性能的影響。永磁體的磁化方向高度hM是影響永磁體的最佳工作點、直軸電抗的重要因素，其取值也應適當。在動子永磁體寬度bM=129.6～153.9 mm，即極弧系數(shù)α=0.80～0.95，永磁體高度hM=8.4～11.6 mm的范圍內(nèi)進行了一系列的優(yōu)化，得到圖10（a）所示的電磁推力曲線。同時計算每種情況下動子的質(zhì)量與摩擦力，得到圖10（b）所示的加速度曲線，當取永磁體寬度bM=147.4 mm，即極弧系數(shù)α=0.91，永磁體高度hM=10.2 mm，在不添加彈射負重時，動子可達到最大電磁推力值F=11.3 kN，最大加速度值a=176 m/s2。

5實驗驗證

為了驗證新型雙邊動磁式永磁直線同步電機結(jié)構的合理性、主要參數(shù)計算的準確性，在對電機的定子、動子優(yōu)化后，確定電機優(yōu)化后各電磁及結(jié)構參數(shù)，設計制造了實驗用樣機，并重新對樣機進行場路結(jié)合數(shù)值分析計算。

其中，樣機主定子與輔助定子鐵心的硅鋼片選用DW470-50，永磁體選用釹鐵硼（NdFeB）牌號N35，永磁體的粘接劑選用高性能AB膠。在完成樣機的制造后搭建實驗平臺，圖11為實驗的方案示意圖，主要包括直線電機樣機、控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分。交流電機驅(qū)動器給定直線電機主定子電流信號，驅(qū)動電機動子運行，電機動子與負載之間用鋼絲繩連接，并且通過拉力傳感器測量直線電機的輸出推力，最后通過功率分析儀與示波器顯示推力特性曲線。與此同時，固定在電機主定子上的光柵尺與固定在動子上的傳感器配合，反饋信號給驅(qū)動器，進行動子運行速度的實時監(jiān)測。實驗直線電機樣機由永磁直線同步電機定子、動子和輔助定子組成：沿彈射方向的整個彈射路徑平鋪2組直線導軌，導軌之間鋪設直線電機的主定子，導軌兩側(cè)鋪設直線電機的2組輔助定子，雙邊動磁式的動子安裝在2組導軌上，如圖12所示。

通過驅(qū)動器分別給電機主定子通入不同的電流值，利用拉力傳感器測量各個電流下的電磁推力值，得到電機電磁推力隨繞組電流密度變化的數(shù)值，如表2所示。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，電磁推力值隨著電流密度的減小而減小。在給定相同的電流下，場路結(jié)合解析值與實驗測量值變化趨勢保持一致，并且兩者之間的偏差較小，平均相差在6%以內(nèi)，因此可以認為所計算結(jié)果在工程允許的誤差范圍內(nèi)，印證了解析計算和仿真分析的正確性。

6結(jié)論

本文針對應用于電磁彈射系統(tǒng)的雙邊動磁式環(huán)形繞組結(jié)構的永磁直線同步電機，提出了一種新型的動子結(jié)構。通過對采用新型動子結(jié)構永磁直線同步電機主要性能的分析，并將得到的場路結(jié)合理論分析值與實驗測量值進行對比，得到以下結(jié)論：

1）在雙邊動磁式的永磁直線同步電機中，與動子永磁體N-N相對的排列方式相比，永磁體N-S相對的排列方式更加合理，電機電磁推力更高，大幅度降低單邊磁拉力，使合成磁拉力更小，進而減小運行時對導軌的壓力。

2）采用新型雙邊動子結(jié)構的永磁直線同步電機，電磁推力較高，并且新型動子質(zhì)量約為傳統(tǒng)型的1/3，動子運行時的加速度大幅提高，縮短彈射的時間與距離。在動子由于外界原因偏心運行時，新型動子的單邊磁拉力在輔助定子的作用下得到平衡，與傳統(tǒng)動子相比優(yōu)勢明顯。

3）在對電機的定子、動子進行優(yōu)化后，設計制造樣機并進行電磁推力的測試，實驗結(jié)果較好地吻合了解析計算的結(jié)果。該結(jié)論驗證了采用場路結(jié)合法求解永磁直線同步電機性能參數(shù)的準確性，對應用于電磁彈射系統(tǒng)的直線電機的設計與研究有實際的參考價值。

參 考 文 獻：

[1]劉吉柱. 面向電磁彈射器的永磁直線同步電機驅(qū)動系統(tǒng)研究. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學， 2010.

[2]李小民， 李會來， 向紅軍， 等. 飛機電磁彈射系統(tǒng)發(fā)展及其關鍵技術. 裝甲兵工程學院學報， 2014， 28（4）： 1.

LI Xiaomin， LI Huilai， XIANG Hongjun， et al. Development and key technology of electromagnetic aircraft launch system. Journal of Academy of Armored Force Engineering， 2014， 28（4）： 1.

[3]LAITHWAITE E R. Adapting a linear induction motor for the acceleration of large masses to high velocities. IEEE Proceedings of Electric Power Applications， 1995， 142（4）： 262.

[4]XU Jin， MA Weiming， LU Junyong， et al. The mathematical model and performance analysis of a novel four?stator double?sided linear induction motor//2011 International Conference on Electrical Machines and Systems， August 20-23， 2011， Beijing， China. 2011： 1-6.

[5]BERNHARD R. First design study of an electrical catapult for unmanned air vehicles in the several hundred kilogram range. IEEE Transactions on Magnetics， 2003， 39（1）： 310.

[6]盧琴芬， 張新敏， 黃立人， 等. 錯位式雙邊型永磁直線同步電機優(yōu)化設計. 電工技術學報， 2013， 28（11）： 35.

LU Qinfen， ZHANG Xinmin， HUANG Liren， et al. Optimal design of shifted type double?sided permanent magnet linear synchronous motors. Transactions of China Electrotechnical Society， 2013， 28（11）： 35.

[7]LI Liyi， MA Mingna， KOU Baoquan， et al. Analysis and design of moving?magnet?type linear synchronous motor for electromagnetic launch system . IEEE Transactions on Plasma Science， 2011， 39（1）： 121.

[8]ZHANG Zijiao， ZHOU Haibo， DUAN Ji′an， et al. Design and analysis of a new ring winding structure for permanent magnet linear synchronous motors. IEEE Transactions on Plasma Science， 2016， 44（12）： 3311.

[9]葉云岳. 直線電機原理與應用. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2000.

[10]徐興華， 馬偉明， 崔小鵬， 等. 分段供電直線電機切換開關的關斷故障在線診斷方法. 電機與控制學報， 2018， 22（12）： 1.

XU Xinghua， MA Weiming， CUI Xiaopeng， et al. Online diagnosis method of turnoff faults in the switch of sectionalized power?supply linear induction motor. Electric Machines and Control， 2018， 22（12）： 1.

[11]DONG Jianning， HUANG Yunkai， JIN Long， et al. Electromagnetic and thermal analysis of open?circuit air cooled high?speed permanent magnet machines with gramme ring windings. IEEE Transactions on Magnetics， 2014， 50（11）： 8104004.

[12]黃磊， 余海濤， 胡敏強， 等. 用于電磁彈射的容錯型初級永磁直線電機特性. 電工技術學報， 2012， 27（3）： 119.

HUANG Lei， YU Haitao， HU Minqiang， et al. Characteristics of a primary permanent magnet linear machine with fault?tolerant capability for electromagnetic launch. Transactions of China Electrotechnical Society， 2012， 27（3）： 119.

[13]王麗梅， 孫璐， 初升. 基于經(jīng)驗模態(tài)分解算法的永磁直線同步電機迭代學習控制. 電工技術學報， 2017， 32（6）： 164.

WANG Limei， SUN Lu， CHU Sheng. Iterative learning control of permanent magnet linear synchronous motor based on empirical mode decomposition algorithm. Transactions of China Electrotechnical Society， 2017， 32（6）： 164.

[14]王明杰， 李彥彥， 焦留成， 等. 永磁游標直線電機磁場解析計算. 電機與控制學報， 2017， 21（10）： 54.

WANG Mingjie， LI Yanyan， JIAO Liucheng， et al. Analytical magnetic field calculation of linear permanent magnet vernier motor. Electric Machines and Control， 2017， 21（10）： 54.

[15]GIERASJ F，PIECH Z J.Linear synchronous motors： transportation and automation systems.Boca Raton：CRC Press，2000.

[16]李德儒. 潛油永磁直線電機單邊磁拉力分析與計算. 沈陽工業(yè)大學學報， 2017， 39（1）： 1.

LI Deru. Analysis and calculation of unilateral magnetic force in oil?submersible permanent magnet linear motor . Journal of Shenyang University of Technology， 2017， 39（1）： 1.

[17]曹海東， 石文敏， 黃蘇融， 等. 鐵心應力對永磁電機性能的影響. 電機與控制學報， 2019， 23（3）： 88.

CAO Haidong， SHI Wenmin， HUANG Surong， et al. Core stress influence on permanent magnetic motor performance. Electric Machines and Control， 2019， 23（3）：88.

[18]劉成穎， 王昊， 張之敬， 等. 面向動態(tài)性能的永磁直線同步電機設計. 中國電機工程學報， 2011， 31（33）： 138.

LIU Chengying， WANG Hao， ZHANG Zhijing， et al. Design of permanent magnet linear synchronous motor for dynamic performance. Proceedings of the CSEE， 2011， 31（33）： 138.