1.1 研究背景及意义

因电磁力直接驱动、机械结构简单、加减速度快、运行安全可靠、维护量小等优点，直线感应电机（Linear Induction Machine，LIM）得到了学术界和工业界的广泛关注，并已在城轨交通（简称“轨交”）、电磁弹射、航空航天、数控机床、波浪能发电等直线驱动领域得到了一定应用。图1-1所示为LIM结构示意图，它由旋转感应电机（Rotary Induction Machine，RIM）沿径向剖开并拉直演变而来：原来沿轴线旋转的电磁转矩变为水平电磁推力，无需中间传动装置即可产生直线运动。

以轨交牵引系统为例，当前多采用RIM，需借助齿轮箱等中间传动装置，把电机转矩转为水平推力，同时依靠车轮和轨道之间的摩擦力驱动列车运行。因此，RIM系统存在体积大、加减速度慢、爬坡能力差、噪声高、维护量大、选线难等问题，尤其在大中城市核心地段的轨交系统中问题突出 ^[1-4] 。与之对应，LIM驱动的轨交牵引系统，其初级和次级（对应RIM定子和转子）分别安装和铺设于列车和轨道上，依靠初次级的电磁推力直接驱动，省掉了中间转换传输装置，如图1-2所示，可有效解决上述RIM系统所面临的相关问题 ^[5-8] 。迄今，全世界有20余条LIM轨交牵引系统线路，自2005年以来，我国相继修建并开通了6条线路，包括广州地铁4～6号线、北京机场快轨线、长沙低速磁悬浮线、北京S1线等。过去10余年间，我国是全世界LIM轨交牵引系统发展最快的国家之一，并将在未来得到进一步提升。

从图1-1可以看出，因两端铁心开断，LIM电磁结构不再像RIM那样具有对称性，其特有的静态边缘效应和动态边端效应，为电机的等效模型、特性分析、控制策略带来很大的困难和挑战 ^[9-12] ，主要包括：

1）准确稳态和动态模型难以建立：因初级磁路开断、大气隙、初级半填充槽等影响，LIM面临三相磁路非对称、纵向边端效应（互感受速度等影响）等问题，其气隙磁场畸变严重、作用机理复杂，是一个典型的高阶、非线性、强耦合系统。因此，如何建立合理的稳态和动态等效模型，是LIM轨交系统亟需解决的首要问题。

2）牵引力、效率和可靠性偏低：高牵引力、高效率、高可靠性是LIM驱动系统追求的关键指标。然而，因为端部效应导致的互感衰减（速度增加等导致）、大气隙（一般机械气隙为7mm以上）导致的无功电流增大、复杂工况导致的过电压过电流等问题，相比RIM驱动系统，LIM驱动系统将面临牵引力低、效率低、可靠性低等问题。如何从控制角度有效提升LIM牵引力、效率、可靠性等指标，是长期困扰LIM轨交系统的瓶颈问题。

3）传统优化算法难以全面提升系统性能：传统的LIM系统采用器件级优化方法，即电机、变流器和控制器等主要单元首先分开设计，经组合和集成调试后投入实际运行，但这种单独部件优化后再组装的方法，不能保证LIM驱动系统的最佳性能。且在对电机本身进行优化时，传统优化局限于额定工作点，不能保证区间性能最优，即达不到广域高效的牵引性能。为此，如何把电机本体设计、变流器和控制器（控制策略）联合起来，提出LIM系统级设计方法，以此提高LIM系统的牵引能力，是目前LIM轨交领域的热点问题。

然而，由于LIM拓扑结构、数学模型、电磁关系所展现的特殊性，无法在相关研究中直接沿用RIM的研究方案：首先，LIM结构和特性上的显著差异将导致相应电磁参数的变化规律发生变化，进而使得RIM成熟的等效电路和损耗模型不再适用；其次，考虑到端部效应对LIM驱动系统性能造成的影响，适用于RIM的控制方法难以满足高牵引力、高效率、高可靠性的控制需求。因此，有必要对LIM系统从等效模型、控制策略、系统集成等方面进行全面综合的研究。此外，还需要结合轨交牵引系统所面临的工程实际问题展开探索，以使得研究成果具有实用价值。

本书将以LIM轨交牵引系统为研究及应用背景，从LIM绕组函数和磁场分析出发，建立准确全面的等效电路及损耗模型，深入研究适用于LIM的高效高性能控制方法及多目标优化方法，从而达到系统损耗降低、电流谐波和推力波动抑制、安全可靠性提升等目标，进而推动LIM轨交牵引系统的产学研用进程，同时也为在其他领域的研究应用奠定坚实的基础。 OuVnuOD3l6Vsqs0k7rigOeOr6F/lhW2RnDedYmi4+tJzYKYGAXp3AI9rrERxP+TW