海军工程大学鲁军勇、柳应全：电磁发射用直线电机及其控制技术综述

电磁发射用直线电机是一个崭新的研究对象，主要指应用于电磁发射用途的、由脉冲电源供电的、发射速度100 m/s以上的直线电机。电磁发射用直线电机是极为特殊的执行机构，它的出现反映了大规模电磁能量的转移、存储和变换等控制技术的成熟。下面主要讨论电磁发射用直线电机的特点和分类以及关键技术。

1.1  电磁发射用直线电动机的特点和分类

与传统的民用和工业领域的直线电动机相比，电磁发射用直线电动机具有以下特点：

（1）多定子多相和长初级结构。由于电磁发射用直线电机一般安装在舰船等移动平台上，体积和质量的限制使得对其推力密度和过载能力的要求高于普通电机。为了提高直线电机的推力密度、功率效率和能量效率，通常采用多定子结构或多相结构。为了便于集中供电、克服法向力、减小能源体积和损耗，通常采用长初级结构及分段供电方式。

（2）磁场饱和和漏磁问题。瞬时高功率要求电机容量大，最大达数百MV·A，瞬时功率最高可达数万MW，输入电压为几千伏且连续可调，输入电流高达数万至数百万安培。由于励磁磁场较高，定子铁心很容易进入饱和状态，而过大的电流也会带来严重的漏磁问题，通常需要加装屏蔽结构以防止电磁干扰对周围其他电气设备的影响。

（3）短时脉冲工作制式。受电磁发射工作方式影响，直线电机始终工作于瞬态，循环周期为数毫秒至数秒级。对于长初级分段供电直线电机和多级分布式轨道炮（线圈炮）电机，在加速过程中线圈绕组依次接入工作，当动子（电枢）远离初级时切断对应绕组的供电。这种线圈工作制式使得线负荷设计时可以适当降低温升需求。

（4）电机要求有极高的可靠性、冗余性、可维护性及长寿命。此外，由于舰船上安装空间的限制和甲板潮湿盐雾的影响，还需要进行小型化和绝缘防护设计。

常见的电磁发射用直线电机均是由普通的直线电机演变而来，分别应用于不同的电磁发射用途。比如，双边直线感应电机具有法向力小、推力大等优点，采用动次级结构可以在较短的距离内将轻便的动子加速到百米每秒的速度，是航母电磁弹射应用的首选；圆筒型直线感应电机的定子和动子之间无接触摩擦，可以将圆柱形感应次级沿轴向多级加速，是同步感应线圈炮的原型；直线直流电动机原理简单，单极性结构无需换向，将励磁与电枢串联可以进一步精简结构，是大功率脉冲直流放电的理想负载，可以直接应用于电磁轨道发射。

永磁直线同步电动机综合了永磁电机和直线电机的特性，具有高推力密度、高加速度、高效率等显著优点，无需励磁且能够实现高精度的运动控制，可应用于电磁弹射和高速磁浮交通等领域；双边直线感应电机去除铁心，即是重接炮的原型，可发射大质量的高速弹丸，具有成本低、无接触、姿态稳定的优点；为了解决线圈炮径向压缩应力远大于轴向加速力导致电磁力利用率不够的问题，根据径向磁场和抛体相互作用产生加速力的原理，产生了多极矩电磁发射电机，具有推力大、悬浮稳定、能提供扭转力矩的优点，适合大质量、大口径抛体的高速发射。电磁发射用直线电机的结构演化如图2所示。

图2  电磁发射用直线电机的结构演化

在电磁发射领域，美国等西方国家起步较早，在电磁弹射、电磁轨道发射和电磁线圈发射等领域已开展了80多年的研究，在某些单项技术上已达到领先水平。我国近20年在电磁发射技术方面研究进展较快，研究单位呈雨后春笋之势，但在基础理论、机理性研究方面还比较薄弱，虽然与美国等发达国家还存在一定差距，但是在一些关键技术方面进展迅速，有局部赶超、后来居上的势头。21世纪以来，公开文献中提及的国际上电磁发射用直线电机有代表性的关键指标见表1。

表1  电磁发射用直线电机关键指标

从表1中可以看出，目前关于电磁发射用直线电机的研究主要集中于电磁轨道发射电机、电磁弹射直线电机和电磁线圈发射电机三个类型，在工程上分别对应三种加速距离和质量等级的电磁发射，用于实现三种末速度需求，如图3所示。

图3  电磁发射用直线电机的主要类型

1.2  电磁发射用直线电机的关键技术

和传统直线电机技术相同，电磁发射用直线电机技术也包括电机本体技术、电机控制技术和电机维护技术三个方面，但是由于工作于特殊场合和极端条件下，电磁发射用直线电机面临许多特殊的关键技术问题，如图4所示。这里重点介绍大功率直线电机设计、长初级定子分段供电和连续发射热管理等三大关键技术。

图4  电磁发射用直线电机的关键技术

1.2.1  大功率直线电机设计 

电磁发射用直线电机必须满足大功率、高可靠性、冗余性和高过载性的要求，以确保单个电机出现故障时仍能完成既定发射任务。有些特殊使用场合对安装体积的要求是苛刻的，因此，必须设计高推力密度的大功率直线电机才能满足电磁发射应用的需求。为了产生巨大的加速推力，电磁发射用直线电机需要较大的励磁磁场，这需要在电枢绕组上施加几千安到几兆安的励磁电流，再考虑电流的趋肤效应，每mm²的瞬时电流密度远远超过常规铜导线的通流密度。此外，电磁发射用直线电机周边电磁环境复杂，必须考虑磁屏蔽措施。

对于直线感应电机，由于齿磁阻低于槽间和导体的磁阻，磁力线在进入气隙前会集中从齿部穿过，产生磁场空间谐波。在电磁弹射直线电机中，由于励磁磁场较大，会在齿槽位置出现较大的磁场阶跃，严重影响电机推力的平滑控制。传统直线电机中通常采用缩短极距、齿槽斜极或无槽和多相的措施来降低磁场空间谐波和齿槽波动。缩短极距会引起定子同步速度的下降，必须提升逆变频率才能抵消其影响，但却带来铁心损耗的增大。为了解决磁场空间谐波问题，E. R. Laithewaite提出一种菱形绕组，但是菱形绕组没有与运动方向完全正交的导线长度，因此需要增大励磁电流才能弥补。菱形绕组的好处是电磁力均用于产生有效推力。另一种绕组方案是Gramme环形绕组，该绕组结构绕制简单且端部损耗较小，可大大减小分数谐波，由于绕组仍然缠绕于铁心上，对励磁电流没有影响，因此，环形线圈比菱形绕组更加实用。环形绕组的缺点是背部、上下端部等线圈是无用线圈，有用的线圈仅仅位于动子侧，而无用线圈会给电机的磁路和其他系统带来不利的影响，因此，必须对无用线圈采取一定的屏蔽措施。采用无槽结构可降低空间谐波和推力脉动，同时使脉冲工作间隙的电枢更易于散热。但无槽结构中导体也是气隙的一部分，相当于电机的电磁气隙增大，电机的漏磁增大，励磁电流增大，电机的功率因数降低，且无槽电机导体同时也处于气隙磁场之中，因而必须采用多股绞线（Litz线）来降低趋肤效应和涡流损耗。

对于电磁轨道发射电机，由于脉冲放电的时间很短（ms级），为了解决励磁磁场与电枢电流的同步和效率问题，必须采用单匝串励绕组型式。为了进一步提升发射装置的电感梯度，可采用多匝串联导轨结构，如图5所示，即采用多匝励磁绕组产生更高的磁场。中国科学院电工研究所研究了串联增强型发射电机的几何参数对电感梯度的影响规律：内外导轨间距越小，电感梯度越大；导轨的厚度越小，电感梯度越大；串联增强型发射器的电感梯度可提高1倍以上。但值得注意的是，多匝串联导轨结构在提高电感梯度的同时也增加了回路的电阻损耗，导致馈电电流的损失和焦耳热的增加。

图5  多匝串联导轨结构

1.2.2  长初级定子分段供电

应用于电磁发射领域的直线感应电动机多采用长定子结构，为了提高系统的效率和功率因数，降低系统的容量需求，电机定子由多段结构相同的定子模块串联组成。由于弹射瞬时功率大、持续工作时间短，且为暂态工作方式，若对直线电机长初级全程通电，会存在电机漏感大、功率因数低、效率低、所需电源负荷重和变频装置容量大等不足，因此，需采用分段供电控制技术，即对直线电机初级进行分段，只将与次级相耦合的几段初级通电，其他段不通电，随着次级的运动，依次切换供电，实现与次级耦合的相邻若干初级通电。分段供电电机的示意图如图6所示。

图6  分段供电示意图

用于电磁发射场合的分段供电技术，与磁浮列车分段供电存在明显区别。首先，前者为暂态工作方式，持续时间仅几秒，且在工作过程中，段与段之间需要多次切换，后者同时通电的初级可达数公里，故分段供电切换并不频繁。其次，功率规模不同，前者的电流等级达数十千安，需要在电磁弹射过程中快速可靠切换，获取准确的切换位置，实现平稳、可靠的切换，后者在轨道中间有一段滑行间距，可用于供电切换。再次，为了节省体积前者仅由一套功率变换系统供电，需要考虑切换扰动对控制策略的影响，后者一般由多套驱动装置供电。最后，由于电磁弹射电机未通电初级铁心中杂散磁场的存在，使得定子绕组互感存在较大的不对称，带来电机模型的不准确和电磁推力的波动，而磁浮列车中由于相邻区间距离较大，相互耦合作用可以忽略。

分段供电的目的是通过缩短同时通电的定子段数来减小供电功率消耗、提升运行效率，更重要的是，分段供电通过缩短初级励磁段，增加了与次级耦合段（覆盖次级）的长度占总供电长度的比例，相当于间接地改善了三相阻抗的对称性，从而提升了电机的综合性能。对于双边长初级直线感应电机，还要考虑双边绕组的供电同步性，以确保法向磁拉力能够被抵消。分段供电结构会加剧初级绕组的不对称现象，而且通电初级与未通电初级之间也会存在场路耦合问题，这不同于普通的边端效应问题。

1.2.3  连续发射热管理

电磁发射用直线电机连续发射时工作于周期性脉冲条件，由于每次电磁发射的能量巨大，作为能量转换机构的直线电机在短时间内会产生巨大的热量，导致直线电机定子和动子的温度急剧升高。对于电磁弹射直线电机，虽然长初级绕组采用分段供电技术，定子的发热量得以减小，但是线圈导体在高频次的连续发射过程中积累的热量难以自然风冷，高温下运行会带来电机绕组参数的不确定，进而影响电机控制性能，同时还会损坏电机的绝缘性能带来绝缘击穿的风险。而动子在电磁弹射加速、制动和回收的过程中持续工作，发热量持续上升。由于动子是运动部件，涡流损耗产生的热应力会导致结构变形，可能影响连续发射的安全稳定工作。

连续发射条件下伴随着线圈导体和动子温度的快速上升，相电阻显著增加，使电机的电磁场和温度场成为强耦合场，有文献研究了周期性脉冲式直线感应电机的温度场问题，通过建立一维瞬态温度场模型和定子瞬态热网络模型，结合定子温度衰减率的影响因素，对定子温度进行有效预测。有文献根据电磁弹射直线电机的工作制式，分析了自然风冷、强制风冷和喷雾水冷三种冷却方式对直线电机动子温度的影响，并通过等效实验证明，喷雾冷却是最有效的冷却方式，可以满足电磁弹射系统连续发射的工作条件。

对于电磁轨道发射电机，发热体主要有馈电母排、导轨和引弧器，其中损耗主要集中分布于导轨。导轨的热量来源主要有四个方面：一是导轨体电阻产生的焦耳热；二是枢轨间接触电阻产生的焦耳热传递给导轨的部分；三是接触界面接触间断时产生的电弧热传递给导轨的部分；四是枢-轨间相对滑动摩擦产生的摩擦热传递给导轨的部分。电枢导轨间接触电阻产生的焦耳热、接触界面电弧热和枢轨接触面摩擦热三者共同组成了接触界面的接触热。

导轨在导通数百万安培脉冲大电流超高初速发射的同时，导轨承受着极端热力载荷的严峻考验。在实际发射过程中，脉冲电源提供的能量不仅为发射组件加速，还有相当一部分能量以损耗形式释放。由于传导的电流极高，导轨的发热及温升都很大，特别是在连续发射过程中，导轨经过短时多次热量积累，致使导轨温度过高而失效。

有文献分析了导轨体电阻产生的焦耳热量、枢轨相对滑动摩擦产生的热量和枢轨接触电阻产生的焦耳热量三种热量源的生产机理，并结合电枢动态发射过程分析了产热的时空分布特性。有文献研究了导轨内部流道冷却方式对导轨连续发射过程中的温度场影响，导轨内部流道冷却方式如图7所示。

图7  导轨内部流道冷却方式

2.1  电磁弹射直线电机

与传统的蒸汽式弹射器相比，电磁弹射可以随用随启，15 min内即可完成冷启动，战备性能优异。由于直线电动机优良的控制性能，电磁弹射器可以在空载到比现有蒸汽弹射更大的能量级之间灵活调节弹射推力，同时使推力平稳，灵活适应包括小型无人机在内的各型飞机的弹射任务，且对飞机结构和空勤人员的冲击损伤都大大降低。

美国于20世纪40年代便尝试了电磁弹射器的研制，但受限于当时的技术条件，最终以失败告终。到了20世纪80年代，美国重新开始了航母电磁弹射器的研究，于2017年成功实现在“福特”号航母上对F/A-18舰载机的电磁弹射起飞。

2022年6月17日，中国自主研制的采用电磁弹射器的“福建号”航母下水，标志着中国的电磁弹射技术实现了工程化应用。

电磁弹射直线电机的理论研究主要集中在电机类型的讨论，一些学者分别对直线感应电动机和永磁同步电动机用于高速地面交通和电磁弹射器做了对比研究。有文献对采用磁阻同步直线电机作为电磁弹射电机做了设计优化，将永磁次级替换为磁阻次级，可以避免高温及高速撞击过程中可能出现的去磁风险。有文献设计了一种双边圆筒型直线感应电机作为电磁弹射电机，并以电磁推力最大作为优化目标进行结构设计，如图8所示。

图8  双边圆筒型直线感应电机

此外，有文献提出了一种变极距直线感应电机方案，通过分段极距参数变化改变同步速度，从而避免大规模的功率变换器带来的体积和控制问题。从综合分析来看，采用双边长定子的直线感应电机作为弹射电机是目前较为实用的方案。国内外研究机构对多种形式的用于电磁发射的直线电动机开展论证和性能对比。有文献提出了基于磁通切换永磁直线电机的导弹电磁发射电机，具有功率密度高、效率高、结构简单、适合高速等一系列优点。国内哈尔滨工程大学、浙江大学、东南大学等都开展过将永磁同步电机用于电磁弹射电机或高速磁浮电机的研究。尽管永磁直线电机推力密度较高，但是这种较新颖的电机结构使得制造与维修较为复杂，不适合应用于长距离的工作环境。目前国内这些研究还处于理论探索或实验室研究阶段，离工程化还有一段距离。

高温超导材料发现以后，很多国家就致力于将高温超导材料应用于高速直线推进领域。有文献设计了一台双边型高温超导块材磁体次级直线同步电动机理论模型，用于飞机电磁弹射系统。西南交通大学开展了高温超导磁悬浮发射样机的研制，采用分段供电方式。有文献提出了复合高温超导磁悬浮子系统的双边型高温超导直线同步电机设计方案。高温超导直线电机虽然推力性能较好，但是高温超导材料成本较高，不适合用于长距离的工作环境。

2.2  电磁轨道发射直线电机

1978年，澳大利亚国立大学研制了导轨型直线电动机，将弹丸加速到5.9 km/s的初速度，该样机如图9所示。预示着仅依靠电磁力可以把物体发射到超高速，由于可以突破传统火药发射的速度瓶颈，给了人们极大的鼓舞。

图9  马歇尔等设计的导轨型直线电动机

美国海军率先于2008年、2010年分别进行了出口动能为10 MJ和33 MJ的电磁轨道炮发射试验，将重约10 kg的弹丸加速至2.5 km/s，BAE系统公司研制的电磁轨道炮试验样机如图10所示。

图10  美军电磁轨道炮试验样机

我国早在20世纪80年代就已经开始了对电磁轨道发射技术的研究。其中，海军工程大学、中国科学院电工研究所、北京特种机电技术研究所、南京理工大学、兵器科学研究院、西北机电工程研究所、中国工程物理研究院流体研究所、华中科技大学、燕山大学等多家单位进行了电磁轨道炮样机的试制和测试。从近十年国内发表的学术论文来看，电磁轨道炮技术的研究热点主要集中在发射装置的多场耦合仿真、一体化电枢的优化设计、混合储能技术、脉冲功率电源技术、滑动电接触和内弹道技术等方向。国内主要院所轨道炮研究方向统计如图11所示。海军工程大学在储能、电枢、发射装置、超高速弹丸方面开展了较为深入的研究。

图11  国内主要院所轨道炮研究方向统计

北京特种机电技术研究所从2003年起从事电磁发射技术的研究。报告显示，截至2012年，共进行超过100次发射实验，为开展轨道炮寿命机理研究、发射过程中电枢转捩和轨道刨削问题的研究积累了大量数据。

2017年，中国科学院电工研究所设计了两匝平面增强型轨道炮，轨道长2.5 m，由270 kJ脉冲动力系统驱动。在工程化样机方面，中国科学院电工研究所针对工程应用要求发射装置紧凑化合小型化的特点，研制了一体化发射装置，如图12所示。

图12  中国科学院电工研究所研制的一体化发射装置

军械工程学院提出了一种外场增强型轨道发射电机，如图13所示，发射电机由三部分构成：机械导轨（两侧）、电枢电流轨（四角）和增磁线圈（上下），仿真研究表明，该结构可克服电流的趋肤效应，使得电流的分布均匀性达到50%左右。

图13  外场增强型轨道发射电机

2.3  电磁线圈发射直线电机

挪威的K. Birkeland于1902年研制出第一门电磁线圈炮，该炮长400 mm，口径65 mm，能够将0.5 kg物体加速至80 m/s。1989年美国桑迪亚国家实验室开发出可仿真电磁线圈炮发射过程的WRP-10程序，极大地推动了该实验室乃至国际上电磁线圈炮的发展。2005年，洛克希德马丁和桑迪亚实验室合作研制了竖直火箭发射助推系统，采用矩形同轴线圈推进器，将质量为740 kg的模拟火箭推射到40 m/s的出口速度，其研究的45级同步式线圈炮结构如图14所示。

图14  洛克希德马丁和桑迪亚实验室合作研制的同步式线圈炮结构

1996年，中国工程物理研究院设计的线圈型发射器可将质量为1 kg的动子加速到60 m/s。2012年和2013年，西北机电工程研究所先后设计制作了4级和15级感应线圈发射器，测试中将5 kg的电枢加速到220 m/s。自“十二五”以来，中国科学院电工研究所开始从事同轴线圈推进技术的研究，并取得了一定成绩，目前已经实现将质量为5 kg的动子加速到500 m/s速度的目标。

电磁发射用直线电机的控制主要通过脉冲交流调制和脉冲直流调制方式来实现。脉冲交流调制是电磁弹射直线电机的控制方式，超大功率储能电源瞬时释放一次能量，通过中高压大容量能量变换技术调制成直线电机加速所需的交流励磁电流，磁场与次级相互作用产生巨大的电磁推力。脉冲直流调制是电磁轨道炮和电磁线圈炮的控制方式，高功率脉冲电源直接对感性负载放电，励磁磁场和瞬时强电流相互作用产生电磁推力。

目前关于脉冲直流调制的方法多为开环控制，最为普遍的方法是脉冲成形网络（Pulse Formatting Net, PFN）控制。有文献提出一种针对电磁轨道炮发射过程的PFN快速解算方法，并以此为基础提出一种兼具准确性和普适性、针对电容储能型脉冲电源分时分段触发策略的自动计算方法。有文献提出一种基于模式搜索的时序优化方法提高发射效率，将脉冲电容器组的初始充电电压和放电时序作为优化参数，采用迭代模式搜索算法进行最优时序优化。有文献对脉冲功率电源放电评价体系进行研究，提出了基于SMART准则开展的脉冲功率电源放电评价体系。

脉冲交流调制的主要方法是与普通交流电机控制基本一致的矢量控制策略。但是由于电磁发射用直线电机长初级大极距的特点和高可靠性的需求，需要重点研究分段供电控制、推力波动控制以及故障诊断和冗余控制等特殊问题。

3.1  分段供电控制

分段供电是所有多段长初级直线电机运动中都会面临的共性问题。现有的关于分段供电的研究主要集中在多逆变器并联供电方式，这起源于传统的电气铁路分段供电方式，典型的双逆变器并联分段供电网络如图15所示。

图15  典型的双逆变器并联分段供电网络与串联供电网络

与串联供电网络相比，并联供电网络有自己的优势：有效地降低了母线电压和初级损耗，改善了直线感应电机的功率因数，尤其是可以提高系统的冗余度和可靠性。虽然看上去有点类似于多电机并联工作在一个逆变器下，但其实有着本质的区别。多电机并联工作时电气常数和瞬态过程都是一样的，而在并联分段供电网络中，次级运动过程中所有通电段的电气参数都是动态变化的，因此，很难用一个集总参数模型进行描述。有文献通过引入平均参数搭建了等效的电压电流模型，并通过纯电磁制动仿真验证了模型的准确性。有文献提出了一种直线电机分段供电结构，将多台变流器通过切换开关实现级联输出，实现高速运行阶段高输出电压的要求，但是需要采用至少3台主变流器组和至少1台热备份变流器组，成本较高且控制流程比较复杂。

在采用直线感应电机的电磁弹射系统中，分段供电控制器根据位置反馈实时切换通电定子，保持与动子位置耦合的若干相邻定子模块通电，同时确保通电定子的长度总大于动子长度；各个定子模块应设置较小的间距，确保除去开关切换的暂态过程外，电机模型参数尽量稳定。有文献指出了这种分段供电直线电机定子绕组互感存在较严重的不对称现象，揭示了互感不对称的规律。有文献推导了电机各相绕组的自感和互感表达式，阐明了分段供电直线电机互感不对称的机理，在此基础上得到的电机电感矩阵和阻抗矩阵，说明了电机互感和阻抗不对称的规律。

长初级分段会导致电机中的电感不平衡，引发推力波动，从而致使系统性能下降。目前主要通过两种手段解决电感不平衡现象及其造成的推力波动问题，方法一是修改端部绕组形式消除脉振磁场，方法二是控制电流进行补偿。有文献提出了两种特殊型式的集中绕组，该绕组能够消除通电段气隙磁场中的脉振磁场分量及未通电段气隙中的脉振磁场。但是，其通电段气隙磁场中谐波含量较大，导致电机推力波动较大。有文献提出了在端部增设半匝数线圈，可以消除由于分段供电引起的电感不平衡问题，但是无法应用于速度较高的电磁驱动系统。有文献对绕组形式的端部绕组匝数进行优化，更好地消除了由相邻分段铁心带来的脉振磁场问题。有文献采用比例谐波控制器来消除三相馈电电缆阻抗不对称对永磁同步电机的影响，尽管可以抑制由电感（或其他参数）不对称引起的推力或转矩脉动，但是在短时工况的高加速弹射系统中较难实现。

有文献研究了一种铁心不分段、仅初级绕组分段的长初级直线同步电机的推力平稳控制切换策略，当次级长度小于单段初级长度，其分段供电策略是当次级只与一段初级耦合时，驱动装置向该段初级供电，当次级与两段初级耦合时，则由两套同时向他们供电。分布馈电式电磁轨道炮和多级同步感应线圈炮中也涉及分段供电技术，但都是采用独立电源馈电的方式，因此只需调整脉冲电源触发时机即可。有文献研究了圆筒型长初级直线感应电机的分段供电技术，将初级划分成5段，每一段由一个固定频率的电源驱动，电源频率分别为33、66、100、134和167 Hz。目前对双边长初级直线感应电机分段供电的控制策略及可靠冗余性设计方面的研究偏少。

3.2  推力波动抑制

直线电机的推力波动抑制一直是电机设计和控制方向研究的热点问题之一。直线电机的纵向边端效应会导致电机阻抗矩阵不对称，从而在电机推力上出现特定频率的谐波。对于长初级分段供电直线感应电动机，由于次级两端开断，次级感应涡流存在较大的不对称，仅控制初级电流对称，不能消除次级负序电流引起的两倍转差频率的推力波动。对于单电源驱动的分段供电系统，由于存在位置检测的误差、切换开关的开通关断延时以及控制器的延时等，分段供电过程中不可避免地会出现电磁力的波动现象，从而影响动子的运动稳定性和控制精度。总体来说，直线电机的推力波动来源可以归纳为三个因素：结构因素、控制因素和其他因素。齿槽转矩、端部效应、磁场空间谐波、相不平衡等结构因素可以通过改变电机拓扑结构进行优化或补偿，分段控制、时滞扰动、参数变化、电流纹波等控制因素只能通过控制策略、前馈控制等措施进行抑制。环境因素和负载扰动等其他因素对整体推力的影响较小。

有文献对永磁直线同步电动机的推力波动情况以及抑制永磁直线同步电动机推力波动的措施进行了概述。通过对电枢及永磁体斜极、槽/极配合和动子厚度等拓扑结构进行改进可以达到抑制推力波动的效果。通过改变电机拓扑结构虽可以达到抑制推力波动效果，但一定程度上削弱了电机推力。有文献设计一种新型V型线圈永磁同步直线电机，并以“推力不削弱、推力波动最小”为目标对其关键结构参数进行优化，采用遗传算法进行寻优，求得电机的最优结构参数。

通过电流补偿控制可以消除由电感不平衡造成的推力波动问题。有文献通过增加比例谐振电流环节，消除了由于绕组不对称引发的推力脉动分量，有文献进一步考虑了供电不对称的影响。有文献通过特定频率谐波注入法有效地抑制了直线电机不对称引起的两倍转差频率推力波动。有文献重点分析了分段供电电机动子处于两段定子之间的推力波动抑制问题，考虑了动态纵向边端效应的影响，推导了推力偏置的修正系数，通过提升转差频率或者优化次级磁场时间常数可以得到改善。

3.3  故障诊断和冗余控制

长初级双边直线感应电动机为了进一步提高推力密度和可靠性，通常采用多台电机初级（N≥2）共用一个次级的结构形式。即使某台电机初级发生故障，仍然可以完成预先设定的任务，具有较强的冗余性。有文献探讨了两定子直线感应电动机推力与电流方向直接的关系，发现双初级同时通入同向电流时，推力大于两台初级单独工作时的推力之和，而端口电压却低于两台初级单独工作时的电压。有文献开展了四定子直线感应电动机在单台电机出现故障时的冗余控制研究。有文献利用集成仿真环境对不同的切换控制算法进行了对比分析，并实现了集总参数模型下的间接矢量解耦控制；有文献通过分析两定子直线感应电机输出电磁推力与输入相电流、工作转差频率之间的函数关系，得到了其单台定子因故障而退出运行，另一台定子维持输出电磁推力不变时其三相电流的过载规律，有文献建立了电机等效电路模型及其控制器模型，得到了多定子直线感应电机电磁推力的计算表达式，并给出了适用于该控制器模型的间接矢量控制算法。

电磁弹射直线电机在长期运行过程中由于分段切换供电或者切换开关本体故障可能会导致缺相和并联故障。有文献针对分段供电可能带来的潜在故障类型，采用与系统健康状态直接相关的电流和位置状态作为特征量，提出快速诊断电机分段供电相关状态的检测算法，给出判定准则，解决了设备本身难以自诊断的问题，实现了分段供电故障的准确定位。针对长初级短次级直线电机切换控制传感器的失效问题，有文献提出了一种切换传感器故障的在线诊断与定位方法，为无位置数据情况下分段供电切换控制系统的在线故障诊断提供了一种有效途径。

电磁轨道发射系统结构复杂，包括多个分系统和数万元器件、所有元器件间交错耦合，综合实现复杂的能量转移和功能变换，庞大的数量严重降低了系统的可靠性；系统独特的非周期瞬时超大功率发射工况，使得大量元器件工作在极限状态下，加大了元器件的损坏概率；瞬时的超大功率导致系统处于故障时危害极大。因此，构建可靠的健康监测系统是提高系统可靠性，实现武器作战能力的重要保证。目前已提出了许多针对性的故障诊断、预测和系统健康评估方法，内容见表2。

表2  电磁轨道发射系统故障诊断技术

电磁发射用直线电机工作于极端条件，强耦合、高瞬态、高应力、高速运动和脉冲工作是其基本特性，现阶段受限于电磁发射装置的质量、体积、材料性能和生产制备工艺，解决一些瓶颈技术主要依赖于工程技术方法。随着高速磁浮技术和电磁发射技术的快速发展，电磁发射用直线电机将会成为一个特殊的研究分类，其相关技术也会得到不断的突破与提升。其发展趋势如下：

1）混合励磁及超导线圈技术。目前大多数电磁发射用直线电机以电励磁方式为主。如果能够在电励磁直线电机中加入永磁体提供部分励磁，将会进一步提升直线电机的推力密度。处于超导状态的材料电阻几乎为零，意味着用它制成的电机绕组可以在较低的电压下无损耗地产生较高的励磁磁场。

3）真空发射管及悬浮技术。电磁发射用直线电机在动子加速过程中需要克服空气摩擦阻力，为了减小超高速下空气阻力对加速过程的影响，在电磁线圈发射和电磁轨道发射过程中采用真空发射管是一个不错的选择。同时，为了进一步减小机械摩擦阻力，还需要开展动子悬浮技术研究。

4）高性能材料应用。对于电磁轨道发射电机，电枢和导轨在高速滑动电接触条件下会出现材料的相变、急剧产热等极端环境，而要膛内需要能够在每次发射之前恢复初态，对导轨的复合材料加工工艺和绝缘体的高温绝缘性能提出了很高的要求。“三高”问题将会催生着高性能材料的研发应用，为电磁发射用直线电机的工程化铺平了道路。

5）无位置传感器控制。电磁发射运动控制技术对位置传感检测精度和可靠性有较高的要求。研究无位置传感器控制即可降低成本、减小安装体积，又可通过备份冗余增加可靠性。因此，进行无传感器控制研究是电磁发射运动控制的重要环节。

本工作成果发表在2024年第19期《电工技术学报》，论文标题为“电磁发射用直线电机及其控制技术综述“。本课题得到国家自然科学基金重大研究计划集成项目、重点项目的支持。