摘要：采用直线感应电机牵引的城轨列车与中低速磁悬浮列车均具有爬坡能力强、牵引能力优越、通过曲线半径小、振动小、噪声低、造价低、污染小、安全性能好等诸多优点，非常适合大中型城市交通发展的新要求。但采用直线感应电机牵引的城轨或磁浮车辆在实际运用时，电机中产生的法向力和侧向力通常会对车辆的运行带来负面影响。因此，研究直线感应电机中空间三维电磁力(推力、法向力、侧向力)的形成机理、探索电机内三维力之间解耦控制方法，有利于减少其在车辆运用中的负面影响、提高该类型电机的应用范围。
　　本文首先介绍直线电机的应用情况及分类，综述国内外针对直线感应电机的电磁分析和矢量控制的方法，尤其是在矢量控制中采用力解耦控制策略的研究成果；并且着重对力解耦控制的技术重点和难点进行分析。为实现电机中空间三维电磁力的解耦控制，本文从直线感应电机基于空间谐波的三维电磁建模分析、新型等效电路的导出和力解耦控制策略的设计开展了一系列工作，主要有以下几点工作：
　　首先，简要分析单边直线感应电机中的纵向端部效应、横向端部效应、次级特殊构造所带来的技术难点。本文提出用基于空间谐波的三维电磁模型解析法全面考虑了上述难题，并给出基于初级绕组电流函数法的纵向磁动势分布模型、考虑初级绕组端部的新型横向磁动势分布模型。针对复合次级结构，给出不同材料层的电磁场方程及对应的电磁边界条件，并导出了每层各场量的解析表达式；再应用麦克斯韦张量法导出电机空间三维力特性的解析表达式。基于初级绕组电流函数的纵向磁动势模型能够考虑三相电流不平衡、“半填槽”和补偿绕组等可能的复杂绕组形式，其方法还可计及谐波磁动势的影响。根据电机内气隙磁密的实际横向分布情况，提出了新型的横向磁动势模型，并与已有的横向磁动势模型进行对比。当初次级间横向偏移时，传统的横向磁动势模型无法适用，本文也给出一种把横向磁动势模型扩展为可考虑初级横向偏移工况的方法。因此，基于上述方法的解析分析具有较大的灵活性、适用性，为后续新型等效电路的导出和力解耦控制的精确性提供了保证。
　　然后，利用坡应廷定理及准二维电磁场理论导出的各场量表达式，给出纵向端部效应和横向端部效应的修正系数；同时，又通过三维电磁场理论直接计算电机次级的等效电路参数。基于上述两种方法分别推导出考虑初级横向偏移的直线感应电机等效电路，完成了由“场”到“路”的转换。除从电磁场理论导出之外，本文还利用新型纵向磁密分布模型来导出计及空间二维、三维力的等效电路，该电路把传统的与一维电磁模型相关的元件参数扩展成与三维电磁模型相关，基于三维空间谐波电磁模型的分析结果给出电路参数表达式。该方法物理意义明确，计算方法较为简单，为电机的矢量控制和力解耦策略的实现打下基础。
　　最后，基于电磁场理论和新型等效电路给出的推力、法向力和侧向力的解析表达式，分别给出推力与法向力、推力与侧向力解耦关系曲线。针对轨道交通系统的运行特点设计空间三维力解耦策略，并利用计及空间三维力新型等效电路对矢量控制模型进行重构。基于力解耦策略的矢量控制仿真表明，在满足推力指令的同时，法向力和侧向力的值均可收敛于相对应的指令值。
　　基于以上内容，本文对轨道交通用直线牵引感应电机的空间谐波三维电磁特性分析方法和空间三维力解耦控制开展系统性研究。在文中第五章，针对一台实验原理样机设计直线轨道实验装置平台，并测量实验样机在不同的电源频率点和不同初级横向偏移量下的牵引特性曲线。此外，第二、三、四章节后面均有实验和仿真结果。上述的实验结果证明了本文所提模型和方法的合理性、分析的正确有效性。