航天事业的蓬勃发展推动了微重力科学及其应用领域的大量研究,空间飞行器和落塔等地基实验设施都能为微重力科学研究提供微重力实验环境。由于空间飞行器在轨飞行成本高昂,且机会很少,使得在地面利用落塔开展微重力科学研究得到了快速发展。为了在微重力落塔系统中获得更长的微重力时间和更高的实验频率,科学家们提出一种采用电磁弹射技术的新型微重力落塔系统。直线电机作为微重力落塔弹射系统中的核心执行部件,其电磁和推力特性关系到微重力环境的实现,因而在新型落塔建造前对垂直驱动用直线电机开展理论研究具有重要工程价值和指导意义。本文以新一代全自动微重力落塔中垂直电磁弹射系统的长初级双边直线感应电机为研究对象,为充分考虑电机性能对微重力实验舱磁环境、微重力水平以及落塔系统的影响,结合微重力落塔实验舱的运动轨迹,对长初级双边直线感应电机计及纵向端部效应的气隙磁场,电磁推力及其波动,制动力及其波动,耦合区等效电路以及减小推力、制动力波动的次级结构等进行理论研究和计算,主要工作如下:求解计及纵向端部效应的电磁场解析式并分析其纵向分布规律。建立以次级为运动参考坐标系的长初级双边直线感应电机的一维电磁场解析计算模型,推导出计及纵向端部效应的气隙磁场、次级电密的表达式,进而分析不同次级长度时气隙磁场及各分量的时空分布特征,后退行波磁场对基波气隙磁场的影响。并通过有限元法验证不同次级长度、不同滑差时电机的气隙磁场、次级电密表达式的正确性,揭示次级坐标系下长初级双边直线感应电机电磁场纵向分布规律,为分析。研究计及纵向端部效应的推力和推力波动特性。通过采用初级电流层、次级电密分别与气隙磁场乘积积分的方法,推导计及纵向端部效应的推力和推力波动解析表达式,对比分析两种方法计算推力及推力波动值的异同。研究纵向端部效应推力特性,分析各端部效应力分量对输出推力的影响机制,及次级长为整数倍极距时电机推力波动产生机理。进一步,结合次级长度的任意性,采用次级电密计算次级长为非整数倍极距时的电机推力特性并分析推力波动的产生机理。通过样机测试结果验证稳态推力解析式的正确性。为任意倍极距长度次级的直线电机推力特性快速计算分析提供依据。开展直线感应电机制动工况下电磁及推力特性研究。以次级为运动参考坐标系,求解电机回馈制动工况时的气隙磁场、次级电密表达式,进而采用次级电密推导制动力及其波动的解析式,并在试验样机上进行稳态制动力测试验证。揭示落塔系统中回馈制动与电动状态时气隙磁场、次级电密的纵向分布规律的异同。通过求解次级长度不同时端部效应力、制动力及各制动力波动分量特性,分析制动工况下各端部效应力分量对制动力的作用机理,研究次级长为整数倍极距和非整数倍极距时制动力波动的主要来源,并简化求解制动力、制动力波动表达式,为长初级直线电机制动工况下电磁场及制动力特性分析,电磁力波动抑制奠定基础。提出一种同时考虑纵向端部效应、横向端部效应和集肤效应的等效电路模型。将长初级双边直线感应电机分解为纵向、横向和垂向三个独立求解模型,根据场-路计算复功率相等的原则,分别利用次级为参考坐标系的纵向分析模型和垂向分析模型求解激磁电抗和次级电阻的纵向端部效应修正系数、集肤效应系数,继而建立改进的等效电路模型,对机械特性进行求解并与传统等效电路求解的机械特性进行对比分析,并采用有限元和试验进行验证。本文提出的等效电路模型可充分考虑端部效应和集肤效应,促使长初级双边直线感应电机等效电路研究工作进一步完善。提出两种抑制电磁力波动的次级结构。结合新型落塔系统中长初级双边直线感应电机次级的运动轨迹,及电机在电动和制动工况下的气隙磁场、次级电流密度分布特点,提出一种削弱电机两倍滑差频率推力和制动力波动的楔形次级结构。根据不同长度次级电机产生推力波动相位不同,提出一种在电动和回馈制动工况均能减小电磁力波动的梭形次级结构。求解并对比两种新型次级电机与传统平板次级电机的推力、推力波动等特性,为新型落塔系统的弹射和制动过程减小加/减速度波动提供新的解决方案。