伊斯坦布尔科技大学Bahaddin Goksun等：用于Hyperloop吊舱的双面直线感应电机设计与参数优化

Design and Parametric Optimization of a Double-Sided Linear Induction Motor for Hyperloop Pod

Bahaddin Goksun; Ismet Sen; Musap Kuzucu; Bati Eren Ergun; Ilhan Kocaarslan; Mehmet Onur Gulbahce

Istanbul Technical University, Istanbul, Turkey

B. Goksun, I. Sen, M. Kuzucu, B. E. Ergun, I. Kocaarslan and M. O. Gulbahce, "Design and Parametric Optimization of a Double-Sided Linear Induction Motor for Hyperloop Pod," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 9, no. 1, pp. 36-45, March 2025, doi: 10.30941/CESTEMS.2025.00009.

摘 要

超级高铁(Hyperloop)这一理念是目前最环保、碳排放量最低、化石燃料利用效率最高的交通方式之一，近来颇受欢迎。在本研究中，为参加由土耳其科学技术研究理事会（TUBİTAK）铁路运输技术研究所（RUTE）举办的超级高铁开发竞赛，设计了一款输出功率为 500 瓦、推力为 60 牛、供电电压为 200 伏/38.58 赫兹的双面直线感应电机（LIM）。与文献中的研究不同，由于机械限制，采用了集中绕组而非分布式绕组。根据超级高铁开发竞赛的机械和电气要求，按照一定的步骤完成了 LIM 的电磁设计。然后，通过有限元法（FEM）对设计模型进行了模拟和分析，并进行了必要的优化以改善电机特性。通过检查最终模型，研究了集中绕组型 LIM 在超级高铁技术中的适用性。此外，还研究了初级材料、铁路材料以及机械气隙长度对线性感应电机性能的影响。在研究的实际阶段，所设计的线性感应电机已制成原型并进行了测试。通过与有限元分析结果的良好一致性，验证了实验结果。

Abstract

The hyperloop idea, which is one of the most ecofriendly, low-carbon emissions, and fossil fuel-efficient modes of transportation, has recently become quite popular. In this study, a double-sided linear induction motor (LIM) with 500 W of output power, 60 N of thrust force and 200 V/38.58 Hz of supply voltage was designed to be used in hyperloop development competition hosted by the scientific and technological research council of turkey (TÜBİTAK) rail transportation technologies institute (RUTE). In contrast to the studies in the literature, concentrated winding is preferred instead of distributed winding due to mechanical constraints. The electromagnetic design of LIM, whose mechanical and electrical requirements were determined considering the hyperloop development competition, was carried out by following certain steps. Then, the designed model was simulated and analyzed by finite element method (FEM), and the necessary optimizations have been performed to improve the motor characteristics. By examining the final model, the applicability of the concentrated winding type LIM for hyperloop technology has been investigated. Besides, the effects of primary material, railway material, and mechanical air-gap length on LIM performance were also investigated. In the practical phase of the study, the designed LIM has been prototyped and tested. The validation of the experimental results was achieved through good agreement with the finite element analysis results.

作者信息

Bahaddin Goksun，土耳其伊斯坦布尔技术大学电气工程系的大四学生。在本科学习期间，他对电机设计产生了浓厚的兴趣，并通过各种项目和实习积极磨练自己的技能。他最重要的经历之一是成为国际电联Hyperbee团队的一员，在那里他参加了国内和国际比赛。在这个职位上，他在工程和社会发展方面获得了宝贵的经验，他专门从事直线感应电机的设计。此外，他的最后一个项目侧重于推进和完成他在电机领域的工作。

Ismet Sen，2024年获得伊斯坦布尔技术大学（ITU）电气工程系学士学位。他目前正在该系继续攻读博士学位。他在TÜBİTAK RUTE担任研究员，研究铁路牵引变流器的控制。他的研究兴趣包括电动汽车和铁路牵引系统的电机和功率转换器的设计、分析和控制。

Musap Kuzucu，2024年获得了土耳其伊斯坦布尔技术大学电子与通信工程学士学位。在本科学习期间，他对电子电路设计产生了浓厚的兴趣，并通过各种项目和实习积极磨练自己的技能。他最重要的经历之一是成为İTÜHyperbee团队的一员，在那里他参加了国内和国际比赛。这个角色为他提供了工程和社会发展方面的宝贵经验。在团队工作期间，他获得了开发电池组和设计电源系统的专业知识。此外，他的实习进一步加深了他在电路设计和电池管理系统等领域的知识。

Bati Eren Ergun，2022年获得土耳其伊斯坦布尔技术大学电气工程学士学位，2024年获得硕士学位。自2022年开始担任研究助理以来，他一直积极参与伊斯坦布尔技术大学电机实验室的工作，并在那里担任研究助理。他的研究兴趣包括电机的设计、分析、控制和谐波，包括为风力涡轮机开发创新的发电机设计，为高效紧凑的电气驱动系统和功率转换器开发宽带隙功率器件，为电动汽车开发电池老化和能量管理模型，以及牵引电机和逆变器设计。

Ilhan Kocaarslan，分别于1983年和1985年在土耳其的Yildiz技术大学获得电气工程学士学位和第一个硕士学位。他分别于1986年和1991年在德国波鸿鲁尔大学获得了电气工程的第二个硕士和博士学位。1999年，他在土耳其获得教授头衔。自2020年以来，他一直担任伊斯坦布尔技术大学机器人与自主系统工程系的正教授。他的研究兴趣是铁路系统、控制系统、自动化、发电、输电和配电。

Mehmet Onur Gulbahce (Member, IEEE)，2010年获得土耳其伊斯坦布尔大学电气和电子工程学士学位，2013年和2019年分别获得伊斯坦布尔技术大学（ITU）电气工程硕士学位和电气传动博士学位。在博士学位期间，他是苏黎世联邦理工学院电力电子系统实验室的访问研究员。2019年至2021年，他担任法提赫·苏丹·穆罕默德·瓦基夫大学（FSMVU）电气与电子工程系助理教授。他目前是国际电联电气工程系的副教授。他的研究兴趣包括新型高速电机拓扑结构、电机谐波和宽带隙功率器件，用于高效紧凑的电气驱动系统、功率转换器、电动汽车和能源管理系统。

《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》(CES TEMS)是中国电工技术学会和中国科学院电工研究所共同主办、IEEE PELS学会技术支持的英文学术期刊。期刊发表国内外有关高性能电机系统、电机驱动、电力电子、可再生能源系统、电气化交通等研发及应用领域中原创、前沿学术论文。中国工程院院士马伟明担任主编，IEEE的执委Don Tan博士为国际主编。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中国科学引文数据库(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知网、万方、维普等数据库收录。

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