【摘 要】
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目前,直线感应电机（Linear Induction Motor,简称LIM）是轨道交通与磁悬浮列车的主要牵引电机之一。尽管直线感应电机具有非黏着驱动、次级结构简单的优点,但是其功率因数与效率较低,导致长期运行成本与系统成本较高。作为一种新型初级励磁直线电机,直线磁通切换电机（Linear Flux-Switching Motor,简称LFSM）将电枢绕组与永磁体或励磁绕组均置于初级,不仅次级结构
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“轨道交通用新型高温超导直线电机理及控制系统研究”（51877109）; 江苏省六大人才高峰项目“轨道交通驱动用新型直线电机”（XNYQC-013）
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目前,直线感应电机（Linear Induction Motor,简称LIM）是轨道交通与磁悬浮列车的主要牵引电机之一。尽管直线感应电机具有非黏着驱动、次级结构简单的优点,但是其功率因数与效率较低,导致长期运行成本与系统成本较高。作为一种新型初级励磁直线电机,直线磁通切换电机（Linear Flux-Switching Motor,简称LFSM）将电枢绕组与永磁体或励磁绕组均置于初级,不仅次级结构简单可靠,而且具有高效率、高功率因数的优点。因此,直线磁通切换电机在轨道交通领域具有良好的应用前景。结合轨道交通背景,LFSM仍有一些亟待解决的问题。对于永磁式LFSM而言,其弱磁性能较差,调速性能有待提升;对于电励磁式LFSM而言,由于在大气隙条件下工作,因此励磁效果不理想,功率密度偏低。为了解决这一问题,本文采用高温超导线圈取代传统励磁绕组,提出了一种新型高温超导直线磁通切换电机（High Temperature Superconducting Linear Flux-Switching Motor,简称HTS-LFSM）,该电机不仅具有高功率密度、高效率与高功率因数的优点,而且次级结构简单、调速调速范围宽,具有良好的应用前景。本文首先提出了两种不同次级结构的HTS-LFSM,阐明并分析了其互补性结构、制冷方式,并基于气隙磁场调制理论,对两种电机的工作原理进行了深入分析,并基于有限元仿真软件对其谐波构成进行了验证分析。接着,基于气隙磁场调制理论与互补性设计思想,本文研究了不同次级结构HTS-LFSM的合适极距比,并提出了初级/次极极距比为7/12与5/12的四台不同次级结构的HTS-LFSM,通过有限元法优化,对不同次级结构、不同极距比的HTS-LFSM进行了比较分析。结果表明,次级齿槽式结构与7/12极距比更有利于提升功率密度,而次级分块式结构与5/12极距比则更有利于提升功率因数。为了横向比较提出电机的性能,本文分析、设计并优化了一台高温超导直线开关磁阻电机（High Temperature Superconducting Linear Switched Reluctance Motor,简称HTS-LSRM）,并将其与所提出HTS-LFSM进行了比较分析,分析表明HTS-LFSM具有比HTS-LSRM更高的功率密度与更小的推力波动。为了系统性研究HTS-LFSM的效率,本文结合多物理场,对一台7/12次级分块式HTS-LFSM进行了三维电磁场、温度场仿真,并对其制冷损耗与效率进行了估算,计算结果表明系统的效率为93.5%。最后,本文设计并制作了一台小功率HTS-LFSM样机,并对其高温超导线圈进行了不同工况下的测试。此外,还对其进行了静态试验,验证了本文提出结构的工作原理与有限元仿真的正确性。
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