新型初级永磁直线电机实验教学平台

曹瑞武，张之梁

(南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210016)

“直线电机理论与应用”作为电气工程及其自动化专业的特色课程，它在“电机学”、“微特电机”和“永磁电机”等课程的基础上，着重讨论直线电机的基本概念及结构、工作原理、运行特性和分析设计方法，使学生能够分析和解决直线电机在工业自动化驱动系统中的实际问题[1]。因此，直线电机驱动系统的课程必须与最新的应用背景相结合，加强实践环节，通过实验操作进一步促进学生对不同电机结构的特点、运行特性和基础知识的掌握，丰富学生的知识面，提高他们的创新能力。

1 直线电机及其实验教学平台

随着工业自动化、轨道交通、垂直提升系统和电磁弹射系统等技术的发展，直线电机已成为上述领域的研究热点。目前，直线感应电机、永磁同步直线电机和开关磁阻直线电机在上述领域应用较广泛，也是“直线电机理论与应用”课程教学中的主要内容。然而，在很多应用领域，常见的各种直线电机都存在着各自的优缺点[2]。例如，在轨道交通等长距离驱动场合，与传统的旋转电机驱动方式相比，直线感应电机的次级定子仅由铜和铝组成，结构简单、可靠，施工成本低具有较大的优势。然而，与永磁同步直线电机相比，直线感应电机具有效率低和功率因数低等缺点。然而，如将传统的永磁同步直线电机应用在长距离驱动系统中，无论将永磁同步直线电机的次级永磁体，还是将初级电枢绕组沿着轨道铺设，都会带来系统成本升高和维护不便。开关磁阻直线电机次级仅由导磁铁心组成，在长距离驱动系统中具有成本低的优点，但是该电机推力波动较大，效率较永磁同步直线电机低。此外，在电磁弹射系统中，现有直线电机也存在各自的优缺点。因此，在“直线电机理论与应用”教学过程中不仅要讲解常见直线电机的结构特点和基本原理，还要介绍其各自的优缺点和应用场合，并指出新型直线电机的研究方向。作为该课程的实践教学部分，本文介绍的新型初级永磁直线电机研究型实验教学平台及教学探索，让学生在学习理论的基础上，利用该平台进行仿真和实验，不仅可以提高实验效率，而且可以掌握相关专业软件，提高创新能力。

2 专业化软件及实践

2.1 专业软件应用的特点

“直线电机理论与应用”课程与工程联系紧密，具有很强的实践性。因此，在做好理论教学的同时，更要加强实验教学环节，制定可实施的实验教学大纲和教学内容。培养研究生的实验能力和创新能力，使学生更好的学习电气工程相关专业课程。

由于电机内的电磁场较为复杂，采用传统的磁路法分析计算电机的静态电磁特性对大多数学生而言较为困难。为了方便学生弄清电机的基本原理，掌握电机的静态特性和动态特性，需要采用仿真分析与实验相结合的教学方式[3]。本实验教学平台实验过程中采用有限元分析软件及Matlab/Simulink软件。由于这两个软件也是我校“电机与电器”方向研究生从事科研必备的工具，学生在平时的科研活动中已有一定的基础。因此，本课程采用这两种软件有利于学生快速掌握有限元分析和系统仿真环节。此外，由于新型初级永磁直线电机结构特殊，为了更好的了解其结构特点及绕线方式，需要增加电机结构分析及绕组制作实践环节[4]。

2.2 电机特性有限元仿真分析

本仿真实验教学平台选用了ANSYS Maxwell仿真软件。在熟悉新型电机的结构特点及工作原理的基础上，学生只需熟悉该软件的建模方法、绘制电机的结构模型、设置相关部件的材料、设置相关边界条件及求解模式，即可求解电机的电磁特性。同时，为方便学生快速分析结构参数对新型电机电磁特性的影响，本实验教学仿真平台还提供新型初级永磁直线电机参数化和可视化仿真模型，学生只需根据电机额定推力、功率和速度等要求修改相关参数即可完成电机特性仿真，导出电机的磁链、反电势、电感、电磁推力和定位力等仿真数据。

采用有限元软件的教学方法给学生更大的自由度和设计空间，同时也节省时间，帮助学生将更多的时间用在电机结构、电磁特性的优化和创新上。由图1示出的新型初级永磁直线电机局部模型的磁场分布可知，该电机的永磁体和电枢绕组全部置于电机初级动子上，而次级定子仅由导磁铁心组成，如将该电机用于轨道交通等长距离驱动场合，不仅可以降低系统的成本而且能够提高效率[5]。

图1 新型初级永磁直线电机磁场分布

2.3 电机及控制系统Matlab仿真通过有限元分析软件可以快速的分析和计算电

机的静态电磁特性，如空载反电动势、磁链、定位力和推力等特性。为进一步验证电机的动态特性、硬件电路拓扑结构以及控制策略等内容，需要建立电机及整个驱动系统的动态仿真模型，在实物实验之前，通过系统仿真软件可以验证控制策略及整个系统不同模块连接的正确性，为实验研究奠定基础。

Matlab软件中的 SPS(Simulink和 Power System)工具箱可以实现电气系统和驱动控制系统建模，被广泛用来研究电机、电力系统和电力电子驱动控制系统仿真。本实验教学平台基于此软件，在新型初级永磁直线电机的静态特性、数学模型和控制策略的基础上，建立了该电机控制系统动态仿真模型，其主要结构框图如图2所示。

该仿真模型采用了模块化结构，主要由电机模块、功率变换器模块、主控制器模块、运动与负载模块、位移和速度控制模块和显示输出单元等部分组成。其中功率变换器模块就是SPS工具箱中用于功率变换器仿真的专用模块，只要输入相应功率器件的开关逻辑控制信号，就可以自动完成考虑吸收回路和续流等影响因素的功率变换器电路的建模，大大简化了绕组电压的建模过程。电机本体模型可根据新型初级永磁直线电机基本电压方程、磁链方程、推力方程和运动方程，利用Simulink模块来实现。给定位移模块、给定速度模块、负载给定模块以及主控制器模块均采用Simulink模块和SPS构建。同时应用了接口模块进行端口设计，将这些子模块组合起来就是新型初级永磁直线电机控制系统。

图2 基于Matlab/Simulink的电机及系统仿真模型

通过该仿真平台，可以帮助学生熟悉Simulink建模方法，了解电机建模过程，理解新型电机控制策略实现方式，观察电机的动态特性。在学习过程中，指导教师按模块对整个仿真系统进行讲解，使学生快速掌握该新型电机的整个控制系统，根据电机不同的运行状态，调整电机的给定速度、给定位移和负载大小，对电机进行仿真分析和研究。此外，基于此仿真平台，学生可以通过交互式界面，直接修改电机模型的参数和控制模块PI参数，仿真分析不同结构电机的动态特性，大大提高实验效率。同时，该仿真平台还可以与dSPACE无缝连接，为完成新型初级永磁直线电机实验研究打下基础。

2.3 电机绕组及结构实践环节

由于新型初级永磁直线电机的初级动子中包含U型硅钢片、电枢绕组和永磁体，次级仅由导磁铁心组成，因此其结构和绕组绕线方式等与传统的直线电机不同。为了更好地让学生了解该电机的结构，我们结合电机的实际动子U型叠片、动子模块和定子模块对学生进行讲解。在讲解完直线电机的绕组结构及绕线方法后，给每组学生提供一个小型实验样机动子铁心、绝缘纸、槽楔、线圈以及下线工具，让他们检测相邻模块中永磁体的充磁方向，判断绕组接线方式，再进行绕组下线。在此过程中让学生熟悉槽满率、充磁方向和绕线连接方式等对电机性能可能产生的影响，增强学生的实际动手能力。图3为该新型初级永磁直线电机的动子U型叠片、动子模块和定子模块实物图。

图3 初级永磁直线电机冲片及电枢绕组

3 实验平台建设

本文提出的新型初级永磁直线电机实验教学平台基于dSPACE实时仿真系统。该系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于Matlab/Simulink的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台。非常适合实现高性能复杂算法，它具有运算速度快、使用方便和界面友好等优点，已被越来越多地应用到汽车、机械和电力电子等产品的研究开发中。

dSPACE实时系统具有很多其它仿真系统所不能比拟的优点:①组合性强:dSPACE在设计时考虑了大多数用户的需求，可以对系统进行多种组合;②过渡性好，易于掌握使用:由于dSPACE与Matlab/Simulink无缝连接，使广大Matlab用户可以轻松地掌握dSPACE的使用;③快速性好:用户可以在几分钟之内完成模型/参数的修改、代码的生成及下载等工作，从而可以在短期内完成对原型的反复更改和实验，提高学生实验效率和热情;④性价比高:可以用dSPACE进行不同电机的开发或实时仿真测试;⑤实时性好:一旦代码下载到实时系统，代码本身将独立运行;⑥可靠性高，可避免实验过程中由于系统不可靠而带来的问题，提高学习效率。

利用dSPACE开发工具的实时控制系统主要分为以下几个步骤:

(1)利用Matlab/Simulink建立被控对象及控制系统数学模型，进行离线仿真，确定控制器参数。

(2)保留Simulink控制部分模型，将输入/输出口(I/O)信号通过RTI库中相应的模块连接，并对I/O参数进行配置。

(3)RTW编译。由于Matlab与dSPACE的无缝连接，可完成目标系统的实时C代码的生成、编译连接和下载，将模型下载为实时仿真机上可运行的程序。

(4)dSPACE综合实验和调试。利用dSPACE提供的ControlDesk对实验输入、输出及控制信号进行观察和设置，进行实时实验研究，根据实验结果及时调整控制算法和控制器参数。

4 结语

我们在“直线电机理论与应用”课程的教学过程中，获得了如下教学体会，对其它课程的教学均有一定的借鉴作用:

(1)对“直线电机理论与应用”这样的专业课，需要选择合适的专业化软件开展教学活动，难易程度要适宜。我们选择 ANSYS Maxwell和 Matlab/Simulink作为教学软件，分别用于电机静态电磁特性分析和动态驱动系统仿真。实践表明，不仅便于学生对基础理论知识的掌握，同时有利于提高学习效率，培养学生的学习兴趣。

(2)在理论分析和仿真试验的基础上需要加强实验环节，为了使实验过程简单、可靠且高效，我们建立了基于dSPACE的新型初级永磁直线电机实验教学平台，实践证明，该平台有利于学生理解新电机的运行特性和实验过程，提高其动手能力。

[1]卢琴芬.“直线电机理论与应用”课程教学的探索与实践[J].南京:电气电子教学学报，2013，35(5):47-49.

[2]程明主编.微特电机及系统(第二版)[M].北京:中国电力出版社，2014.1.

[3]王世山，邢丽冬，汤雨，徐华娟.专业化软件导行“电力系统分析”课程教学研究[J].北京:中国电力教育，2014，(08):76-77.

[4]王秀和，孙雨萍，李光友，徐衍亮，王兴华.加强电机结构认识实习环节，提高电机学教学质量[J].南京:电气电子教学学报，2006，(6):67-69.

[5]Ruiwu Cao，Cheng，Ming，Wei Hua，Investigation and General Design Principle of a New Series of Complementary and Modular Linear FSPM Motors[J].United States:IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60(12):5436-5446.