第1章 概述

1.1 研究背景及意義

因電磁力直接驅動、機械結構簡單、加減速度快、運行安全可靠、維護量小等優點，直線感應電機（Linear Induction Machine，LIM）得到了學術界和工業界的廣泛關注，并已在城軌交通（簡稱“軌交”）、電磁彈射、航空航天、數控機床、波浪能發電等直線驅動領域得到了一定應用。圖1-1所示為LIM結構示意圖，它由旋轉感應電機（Rotary Induction Machine，RIM）沿徑向剖開并拉直演變而來：原來沿軸線旋轉的電磁轉矩變為水平電磁推力，無需中間傳動裝置即可產生直線運動。

圖1-1 LIM結構示意圖

以軌交牽引系統為例，當前多采用RIM，需借助齒輪箱等中間傳動裝置，把電機轉矩轉為水平推力，同時依靠車輪和軌道之間的摩擦力驅動列車運行。因此，RIM系統存在體積大、加減速度慢、爬坡能力差、噪聲高、維護量大、選線難等問題，尤其在大中城市核心地段的軌交系統中問題突出[1-4]。與之對應，LIM驅動的軌交牽引系統，其初級和次級（對應RIM定子和轉子）分別安裝和鋪設于列車和軌道上，依靠初次級的電磁推力直接驅動，省掉了中間轉換傳輸裝置，如圖1-2所示，可有效解決上述RIM系統所面臨的相關問題[5-8]。迄今，全世界有20余條LIM軌交牽引系統線路，自2005年以來，我國相繼修建并開通了6條線路，包括廣州地鐵4～6號線、北京機場快軌線、長沙低速磁懸浮線、北京S1線等。過去10余年間，我國是全世界LIM軌交牽引系統發展最快的國家之一，并將在未來得到進一步提升。

從圖1-1可以看出，因兩端鐵心開斷，LIM電磁結構不再像RIM那樣具有對稱性，其特有的靜態邊緣效應和動態邊端效應，為電機的等效模型、特性分析、控制策略帶來很大的困難和挑戰[9-12]，主要包括：

1）準確穩態和動態模型難以建立：因初級磁路開斷、大氣隙、初級半填充槽等影響，LIM面臨三相磁路非對稱、縱向邊端效應（互感受速度等影響）等問題，其氣隙磁場畸變嚴重、作用機理復雜，是一個典型的高階、非線性、強耦合系統。因此，如何建立合理的穩態和動態等效模型，是LIM軌交系統亟需解決的首要問題。

圖1-2 軌交牽引系統用LIM實物圖

2）牽引力、效率和可靠性偏低：高牽引力、高效率、高可靠性是LIM驅動系統追求的關鍵指標。然而，因為端部效應導致的互感衰減（速度增加等導致）、大氣隙（一般機械氣隙為7mm以上）導致的無功電流增大、復雜工況導致的過電壓過電流等問題，相比RIM驅動系統，LIM驅動系統將面臨牽引力低、效率低、可靠性低等問題。如何從控制角度有效提升LIM牽引力、效率、可靠性等指標，是長期困擾LIM軌交系統的瓶頸問題。

3）傳統優化算法難以全面提升系統性能：傳統的LIM系統采用器件級優化方法，即電機、變流器和控制器等主要單元首先分開設計，經組合和集成調試后投入實際運行，但這種單獨部件優化后再組裝的方法，不能保證LIM驅動系統的最佳性能。且在對電機本身進行優化時，傳統優化局限于額定工作點，不能保證區間性能最優，即達不到廣域高效的牽引性能。為此，如何把電機本體設計、變流器和控制器（控制策略）聯合起來，提出LIM系統級設計方法，以此提高LIM系統的牽引能力，是目前LIM軌交領域的熱點問題。

然而，由于LIM拓撲結構、數學模型、電磁關系所展現的特殊性，無法在相關研究中直接沿用RIM的研究方案：首先，LIM結構和特性上的顯著差異將導致相應電磁參數的變化規律發生變化，進而使得RIM成熟的等效電路和損耗模型不再適用；其次，考慮到端部效應對LIM驅動系統性能造成的影響，適用于RIM的控制方法難以滿足高牽引力、高效率、高可靠性的控制需求。因此，有必要對LIM系統從等效模型、控制策略、系統集成等方面進行全面綜合的研究。此外，還需要結合軌交牽引系統所面臨的工程實際問題展開探索，以使得研究成果具有實用價值。

本書將以LIM軌交牽引系統為研究及應用背景，從LIM繞組函數和磁場分析出發，建立準確全面的等效電路及損耗模型，深入研究適用于LIM的高效高性能控制方法及多目標優化方法，從而達到系統損耗降低、電流諧波和推力波動抑制、安全可靠性提升等目標，進而推動LIM軌交牽引系統的產學研用進程，同時也為在其他領域的研究應用奠定堅實的基礎。