电磁弹射用双边动磁式多气隙永磁直线同步电机设计与分析

发布时间：2020-05-28 04:54

【摘要】：随着各国国防水平的提高与军事科技的发展,对现代化军事战机起飞性能的要求也在不断提高,这就对航空母舰上舰载机的起飞装置有了更高的要求。电磁弹射系统的主体是由多台大功率直线电机组合而成,是现今最有效的起飞辅助装置。但是,直线电机推力密度较小、动子质量较大、法向力较大、安全性较差、成本较高等缺点,制约了电磁弹射系统的弹射效率,同时也极大的推动了直线电机的技术革命与发展。本文针对电磁弹射系统对直线电机电磁推力大、推力波动小、法向力小、运行速度高等性能要求,设计了一台双边动磁式多气隙结构的永磁直线同步电动机(DSMMMA-PMLSM)。该电机综合了永磁直线同步电动机(PMLSM)、双边动磁式动子结构的优点,推力密度大、功率因数高、单侧法向力小、动子质量轻、结构坚固以及利于分段供电与控制,多台电机联合工作,非常适用于电磁弹射系统。在综合了永磁同步旋转电机与直线感应电机的设计方法与经验后,编制了DSMMMA-PMLSM的电磁设计程序。首先,根据电磁弹射所需的性能要求确定电机的主要尺寸、电磁负荷,选取定子铁心的槽型尺寸、绕组类型及接线方式,动子极距与永磁体的尺寸以及气隙长度等主要参数,然后进行磁路计算、参数计算、工作特性的计算,设计出一台满足电磁弹射系统要求的永磁直线同步电机电磁设计方案。电磁设计程序完善了PMLSM的设计方法,在工程上具有一定的指导意义。推力特性是衡量PMLSM性能的重要指标,考虑直线电机特有的端部效应与磁场谐波对电枢磁链的影响,建立矢量控制下d-q坐标系不对称的数学模型,推导出DSMMMA-PMLSM的电磁推力。在此基础上,分析了电磁推力波动产生的机理,指出产生推力波动的主要原因,提出如何削弱直线电机中的谐波分量、改善及抑制直线电机推力波动的有效措施。为验证数学模型建立的准确性,利用磁场的分层解析法,建立了具有多层气隙的电机二维分层解析模型,进而得到其磁场分布与电磁推力特性。两种方法各有优缺点,可以在不同的分析策略时采用不同的方法,以满足不同的分析需求与计算环境。PMLSM在运行的过程中,与电磁推力方向垂直的法向吸力非常大,会降低电机的工作效率与运行的可靠性。在详细阐述法向力及其波动的产生机理之后,针对DSMMMA-PMLSM的特殊结构,将整个电机模型拆分成主定子与辅助定子两个气隙磁场的模型,分析主定子与动子之间、动子与辅助定子之间各自的法向力,并叠加计算出电机单侧的法向力值。总结DSMMMA-PMLSM的各结构参数与法向力之间的变化关系,进一步得到各个参数对法向力影响程度的差别。利用有限元法对不同动子结构的PMLSM进行数值仿真分析,对比正常稳态运行与动子偏心运行状态下的仿真结果,可知DSMMMA-PMLSM具有较明显的优势。再对DSMMMA-PMLSM进行瞬态仿真,得到电机在整个起动过程中的运行特性,并对极端环境下动子结构进行强度的分析与校核。结合电磁设计得到的结构参数,研制样机并搭建电机系统的实验平台,进行相关的电磁推力试验,以验证DSMMMA-PMLSM结构的合理性与各种分析方法计算的准确性。
【图文】：

闭合曲线,串联磁路,排列方式,永磁体

-19-b)2-3Fig. 2-3 Magnetic circuit of the PMLSMs with different permanent magnet arrangements永磁体排列方式的不同，，产生了这两种不同的磁路分布。在图 2-3(a)所示的串联磁路中，动子的永磁体采用N-S 相对的排列方式，电机磁路为沿着整个定子铁心的一个大回路闭合曲线：在图中上半部分的动子内部磁力线由磁极的
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM341

【参考文献】