抢鲜看｜《电工技术学报》2021年第6期目次及摘要

直线电机设计、控制及系统集成专题

直线电机设计、控制及系统集成专题特约主编寄语

作者：徐伟教授

次级断续时直线感应牵引电机的等效电路

作者：吕刚；罗志昆

摘要：直线感应电机作为轨道交通车辆的牵引电机,在道岔、转弯等路段会出现次级感应板缺失的情况,次级连续时的等效电路不再适用。针对此特殊工况,提出一种基于气隙磁通密度的分布模型,考虑次级断续的等效电路。首先,建立直线感应电机次级断续时的分析模型,根据初、次级耦合情况把断续工况分成三个阶段。然后,利用线性近似化法修正随耦合区域长度变化的初级漏感、励磁电感等参数。结合气隙磁通密度分布模型与次级断续工况,考虑纵向端部效应的影响,修正励磁支路上的励磁电感和表征端部效应涡流损耗的等效电阻,推导出三个阶段的等效电路来表示初级通过次级感应板断续区域这一动态过程。最后,根据等效电路求出电机推力和效率的动态变化曲线,并与实验台的测量结果对比,验证了所提等效电路的正确性。

音圈电机结构优化及应用综述

作者：柴嘉伟；贵献国

摘要：音圈电机是一种不需要任何机械传动环节,就可以将电能转化为直线运动机械能的直线电机。由于具有结构简单、体积小、响应速度快、定位精度高、易于控制等优点,音圈电机广泛应用于国民经济的诸多领域。该文首先简述音圈电机的理论基础,阐述音圈电机的工作原理、结构分类以及各结构的特点;然后,结合国内外学者对音圈电机的结构优化,对音圈电机提高力常数和定位精度的方法进行归纳总结;最后,对音圈电机的主要应用领域进行综述,并对其发展趋势和研究热点进行讨论和展望。

电枢分段供电永磁直线同步电机的非线性数学模型

作者：郭科宇；李耀华；史黎明；周世炯；徐飞

摘要：电枢分段供电永磁直线同步电机（PMLSM）中,相邻分段铁心的存在会导致气隙磁场脉振,动子穿过电枢定子段也会引发复杂的暂态过程。为准确描述电机的动态过程,该文考虑以上两种特有的电磁特性,建立双三相分段供电PMLSM的相空间模型。首先,采用解析法分析脉振气隙磁场的成因,研究电感不平衡以及饱和效应问题,将六相电流转化到αβ 坐标系下建立二维电感查询表,有效地降低了模型的运算量。其次,引入易于求导的Sigmoid函数构造随动子位置变化的耦合系数,准确描述动子通过分段过程产生的空载磁链及反电动势。依据上述方法构建电机相空间模型,与有限元模型进行对比,两者电压与推力计算结果一致。最后,在RT-Lab中搭建基于相空间模型的半实物实验平台,结果表明,该模型能够准确地体现电机的各种效应,可以替代计算成本较大的有限元模型。

120°相带环形绕组圆筒型永磁直线发电机定位力降低的优化设计（英）

作者：司纪凯；严作光；聂瑞；徐帅；董亮辉

摘要：圆筒型永磁直线发电机（TPMLG）采用120°相带环型绕组可以提高其功率密度,然而,TPLMG具有较大的定位力,这会引起发电机的振荡甚至使系统不稳定。为了解决这一问题,该文对120°相带环形绕组（120°-TPMLG）的圆筒型永磁直线发电机进行优化设计。首先利用有限元方法研究不同结构参数（定子铁心长度、极弧系数、槽肩宽度、定子齿宽和气隙长度）对定位力的影响。根据分析结果,结合田口方法对发电机进行优化设计,在不损失输出功率的情况下使定位力最小,得到120°-TPMLG的最优结构参数。为了验证优化设计过程的有效性,将优化后的120°-TPMLG与初始发电机的性能进行比较。结果表明,优化后的120°-TPMLG的定位力得到了极大的减小,输出功率也略有增加。因此,该文采用的优化方法对减小120°-TPMLG的定位力是有效的。

双边错位高速永磁直线同步电机的设计与分析

作者：寇宝泉；葛庆稳；张浩泉；牛旭；黄昌闯

摘要：针对传统的4极6槽双边对称长初级永磁直线同步电机,在保证电磁推力大小的情况下,提出采用双边错位来降低永磁体涡流损耗的有效方法。介绍电机的基本结构,阐明双边错位结构可以完全消除偶数次电枢谐波磁动势,进而能大幅度降低次级永磁体涡流损耗。利用有限元分析（FEA）软件对比分析对称结构和错位结构的定位力、电磁推力和次级涡流损耗,验证错位方法的正确性,并进行结构优化设计。最后,研制一台样机并搭建实验平台,测得样机的空载反电动势、定位力以及静推力。

两相无槽圆筒型永磁同步直线电机电感计算与分析

作者：张春雷；张辉；叶佩青；张鲁宏

摘要：在电机行程范围内,两相无槽圆筒型永磁同步直线电机的电感会受到电机绕组断开与耦合长度变化的影响,使其变化复杂,无传感控制算法难以实现。因此,需要对该电机电感进行精确的建模。该文基于轴向磁动势函数与轴向比磁导函数分别推导得到该电机在全耦合状态下和全行程范围内电感解析模型。在此基础上,利用有限元数值计算法对电感模型进行参数计算与验证分析,并总结电机全耦合状态下电感的特征,给出耦合长度变化对于电感直流分量与2次谐波幅值的影响规律。最后,对比了样机电感的实验测量值与模型计算值。结果表明,两者之间误差仅为0.04mH,证明了电感模型的正确性。

热声发电系统自主协同起振控制策略

作者：张健；夏加宽；何新；李文瑞

摘要：以热声发电系统（TAEGS）为应用背景,为了降低系统起振温度、缩短系统起振的时间,提出一种控制热声发电机电动运行将系统牵入谐振的自主协同起振综合控制策略,该控制策略以系统机械谐振时次级位移和初级电流相位差为90°作为频率跟踪控制的判定依据,通过采样次级位移和初级电流信号,经过改进二阶广义积分控制器输出相应的正交信号进行锁频,经过Park变换将交流信号变为直流信号,实现信号的无静差跟踪控制,进而使热声发电系统运行频率快速跟踪谐振频率。仿真分析和实验验证结果表明,所提出的起振控制策略既能使热声发电系统运行频率快速跟踪谐振频率,提高系统输出功率;又可改进二阶广义积分控制器,有效滤除检测信号的采样噪声和高频干扰,提高控制器的稳定性。

U型永磁凸极直线电机结构及电磁特性

作者：许孝卓；封海潮；艾立旺；杜宝玉；吉升阳

摘要：在要求大推力、长行程的应用中,如垂直提升领域,永磁同步直线电机因受布置方式、安装空间等限制,在提高永磁利用率、实现更高推力密度方面就显得至关重要。该文提出一种U型永磁凸极直线电机,其次级永磁采用U型结构,能够充分利用永磁体,提高电机的空载反电动势和电磁推力。首先,通过电机结构和磁路分析,建立等效磁路模型,分析其气隙磁通密度变化规律;其次,采用有限元法与具有相同初级结构和次级永磁体用量的隐极永磁同步直线电机进行对比分析;最后,研制实验样机,完成空载反电动势和静推力的测试,样机实测与仿真结果基本一致,进而验证了所设计电机的合理性。

基于自适应观测器的永磁同步直线电机模型预测控制系统设计

作者：李争；安金峰；肖宇；张青山；孙鹤旭

摘要：为了优化永磁同步直线电机的调速性能,解决永磁同步直线电机对速度传感器依赖程度高的问题,该文设计一种带模型参考自适应观测器的永磁同步直线电机预测电流控制系统（MPC-MRAS）。利用去除交叉耦合电动势的定子电压方程设计模型预测电流控制器,取代传统电流控制器;自适应观测器的参考模型利用电机的实际模型进行设计,可调模型利用估计的电流模型进行设计,电机估值速度通过参考模型和可调模型的电流差值设计的自适应律得出。该方案不仅降低电流控制器对电机参数的依赖程度,消除电流耦合对模型预测控制器的影响;同时,还使控制系统的复杂性和成本得到了简化,提高控制系统的控制性能和抗干扰能力。利用仿真软件搭建预测控制器和自适应观测器应用于电机控制系统验证所提控制策略的优越性。经过验证该控制策略可以实现对速度进行在线准确辨识,并且还可以有效地减少电流纹波和提高电流的跟踪性能。

静电电机理论研究与性能仿真分析

作者：李华峰；王伊凡

摘要：静电电机不使用磁铁、无需线圈、结构简单、效率高,在微机电系统中有着潜在的应用前景,但目前基于电容可变原理的直线型静电电机还缺乏理论模型。该文以一种双激励直线型静电电机为例,通过求解多层介质情况下的泊松方程和拉普拉斯方程,获得电机内部电场分布情况;继而通过静电能量的虚位移法获得电机推力特性,由此建立起完整的电机数学模型,并计算得到电机动子的推力曲线和最大电场强度数值,该推力曲线可用于指导电机换相系统设计;随后建立电机的二维有限元模型,仿真结果验证了所提数学模型的正确性;最后根据电机各个参数与最大推力的关系并结合Sobol灵敏度分析结论对电机进行优化设计。结果表明,输入电压,介电常数和定、动子导体间距离对电机推力的影响最大,电极宽度对推力的影响最小。据此可指导该类电机的设计。

基于离散趋近律与无差拍双闭环结构的单相LCL型PWM整流器控制策略

作者：李景灏；吴爱国

摘要：对于单相LCL型PWM整流器,传统双闭环控制以PI控制为电压外环,电流内环常采用以变换器侧电流为受控量的无差拍控制。该方案存在两个问题：①电压外环的积分器会限制系统动态性能;②无法精确实现网侧单位功率因数。为此,该文提出一种以离散趋近律控制为电压外环、以改进无差拍控制为电流内环的双闭环控制策略。对于电压外环,该文推导网侧半波电流峰值与该半波周期内直流侧电压增量之间的数学关系,在此基础上提出一种离散趋近律控制策略。对于电流内环,提出一种以网侧电流和变换器侧电流的加权和为受控量的改进无差拍算法,并给出实现精确单位功率因数所需的电流参考值。该文还讨论网侧电流欠阻尼振荡引起的电流过冲问题,并提出解决方法。仿真和实验结果表明,所提双闭环控制显著改善了系统动态性能,且实现了精确网侧单位功率因数。

基于模拟退火算法的Halbach直线发电机优化设计

作者：刘娜；谭亦旻；莫伟强；韩欢庆；李琳

摘要：在研究海洋波浪能量收集的过程中,需要建立相应的理论模型来降低工程成本,提高研发效率。针对波能转换器在收集波浪能时能量的转换效率不高这一问题,采用无槽Halbach直线发电机作为装置的二级能量转换机构来优化磁场分布,提高能量的转换效率。该文描述Halbach直线发电机的拓扑结构,引入磁矢量势能理论推导出发电机性能的表达式,由此建立直线发电机的综合分析模型。基于此模型,使用模拟退火算法求全局最优解,得到一组直线发电机设计参数,包括永磁体尺寸和绕线线圈的数据。计算结果表明,理论模型解析解的峰值功率与模拟退火算法的结果相差约为3.6%。基于优化后的参数,确定了Halbach直线发电机的设计,为样机实验的验证提供了数据支撑。

电机及其系统

基于精确磁路的新型混合型轴向-径向磁悬浮轴承研究

作者：禹春敏；邓智泉；梅磊；庞古才

摘要：该文基于一种实心同极性轴向-径向磁悬浮轴承结构,其具有磁场分布均匀、轴向空间较小的优点。针对该新型混合型轴向-径向磁悬浮轴承结构紧凑、磁场分布复杂等特点,结合有限元二维仿真结果,建立考虑漏磁的精确磁路模型。根据磁路模型,计算该结构的气隙磁通密度、刚度和承载力,并与有限元仿真进行对比,仿真与计算结果基本一致。实验结果表明转子能够在较高转速下实现稳定悬浮,验证了该结构的可行性。

基于递归径向基神经网络的永磁直线同步电机智能二阶滑模控制

作者：王天鹤；赵希梅；金鸿雁

摘要：针对永磁直线同步电机（PMLSM）易受系统参数变化、外部扰动、摩擦力等不确定性因素影响的问题,采用二阶滑模控制（2OSMC）和递归径向基神经网络（RRBFNN）相结合的智能二阶滑模控制（I2OSMC）方法来提高系统控制性能。利用2OSMC削弱传统滑模控制中的抖振问题,提高了系统的位置跟踪精度。但由于难以估计系统中不确定性因素的边界,从而无法实现2OSMC的最佳性能,因此,引入RRBFNN对不确定性因素进行估计。由于RRBFNN具有较快的学习能力,可通过在线训练网络参数,进而提高系统的鲁棒性。实验结果表明,所提出的控制方法切实可行,能够有效地抑制不确定性因素对系统的影响,使系统具有较高的位置跟踪精度和较强的鲁棒性能。

基于P-U下垂特性的虚拟直流电机控制策略

作者：支娜；丁可；黄庆辉；李武华；张辉

摘要：直流微电网中传统P-U下垂控制由于只具备下垂特性、缺乏惯性,无法抑制直流母线电压波动,当网内功率突变时,直流母线电压瞬态特性较差,平稳性低。为抑制直流母线电压波动,提升直流母线电压动态稳定性,提出一种基于P-U下垂特性的虚拟直流电机（VDCM）控制策略。通过模拟直流电机机械惯性,将直流电机机电暂态响应过程与下垂控制特性进行等效,设计直流电压源变换器（VSC）P-U下垂控制环路,使直流变换器具备直流电机大惯性、高阻尼输出特性,有效地提升了母线电压动态稳定性,抑制直流母线电压波动。该文建立虚拟直流电机控制策略小信号模型,分析控制策略动作具体机理及系统稳定性,并与传统P-U下垂控制进行对比,通过仿真及实验验证了该策略的有效性。

基于无电感升压拓扑的无刷直流电机电流控制策略

作者：曹彦飞；陆海天；李新旻；史婷娜

摘要：该文利用MOSFET、二极管和电容设计一种结构简单的升压拓扑结构,用以驱动无刷直流电机。该结构无需电感,有利于减小驱动系统的成本与体积。结合升压拓扑的输出方式与无刷直流电机的运行方式,该文构建保证驱动系统正常工作的四种开关矢量,并进一步提出一种基于升压拓扑的无刷直流电机电流控制策略。在无刷直流电机的换相区及非换相区,通过选择合适的矢量作用即可实现平稳的电流控制。此外,在换相区采用统一的控制方式可以有效地抑制换相转矩波动,无需根据转速区间切换控制策略。

基于内切圆弧的交流牵引电机齿肩削角降噪方法

作者：刘东浩；张小平；郭宇轩；姜海鹏；朱广辉

摘要：针对交流牵引电机存在电磁噪声过大而影响其推广应用的问题,提出一种基于内切圆弧的交流牵引电机齿肩削角降噪方法。阐述交流牵引电机电磁噪声产生的根本原因及有关径向电磁力谐波空间阶次的计算方法,建立电机定子齿肩采用内切圆弧式削角处理前后定子齿槽与转子表面间气隙宽度随转子位置变化的函数关系式,分析定子齿肩削角处理对电机电磁噪声的影响,并对其效果进行仿真,同时与直线式齿肩削角法的效果进行对比分析。结果表明,交流牵引电机定子齿肩采用内切圆弧式削角处理后可显著降低其电磁噪声,并且具有比直线式削角法更好的降噪效果。最后对一台5.5kW交流牵引电机进行内切圆弧式定子齿肩削角,取得了8.4dB(A)的降噪效果,由此可见,该方法具有较好的应用价值。

电力电子

基于反激变换器的双目标直接均衡方法

作者：郭向伟；耿佳豪；刘震；张伟；卜旭辉

摘要：新能源汽车串联电池组各单体间不可避免的不一致性将会降低电池组的能量利用率及循环寿命,甚至危及新能源汽车使用安全。为改善串联电池组的不一致性,该文创新性地提出一种基于反激变换器的均衡拓扑,利用结构简单可靠的反激变换器实现均衡能量在整组电池和任意单体间转移,所提出的拓扑减少了储能元件的数量,降低了均衡系统的体积,而且能量传递的一次侧仅需一组控制信号,降低了控制难度;在此拓扑基础上,提出一种双目标直接均衡控制策略,将充电过程和放电过程的均衡合二为一,同时实现充/放电过程最高端电压的降低和最低端电压的升高。仿真及实验结果表明,该文所提新型均衡方法具有良好的动静态均衡效果,能够显著地改善串联电池组的一致性。

单相逆变器随机PWM选择性消谐滞环随机扩频方法（英）

作者：李国华；刘春武；汪玉凤

摘要：在随机脉冲宽度调制（RPWM）中,要求逆变器的瞬时开关频率分布在较宽的频率范围内,以获得较好的随机性。然而,当开关频率持续偏高时,逆变器的开关损耗将会增加;当开关频率持续较低时,会引起输出电流纹波的增加。现有的RPWM选择性谐波消除方法在随机扩频的过程中不能有效地控制逆变器的开关频率。该文提出一种单相逆变器RPWM选择性消谐滞环随机扩频方法。根据RPWM策略中有效随机数k与开关频率的关系,合理选择随机数k,既可以保证逆变器瞬时开关频率在较宽的范围内随机分布,又可以将平均开关频率控制在预先设定的频率范围内。在RPWM选择性消谐过程中,当开关频率较低而引起电流纹波增加时,该方法可以通过提高平均开关频率来减小纹波。

三相Vienna整流器无网压传感器预测电流控制策略

作者：肖蕙蕙；苏新柱；郭强；李山；陈岚

摘要：设计三相Vienna整流器的闭环控制系统时需要采集电网电压信息,而使用传感器会增加系统硬件成本和复杂度,为此该文提出一种适用于三相Vienna整流器的无网压传感器控制策略。首先,在两相静止坐标系中建立三相Vienna整流器的虚拟磁链数学模型,利用二阶低通滤波器来改进电压观测器,对电网电压进行估算,在不增加算法复杂性的前提下避免了纯积分运算。其次,由于该方法估算的电网电压存在一定误差,因此运用预测电流控制策略构建控制系统,并针对实际系统中采集与处理环节所引起的信号滞后问题,提出二步预测电流法以补偿信号滞后。最后,对所提出控制策略进行仿真分析和实验验证。其结果表明,网侧输入电流谐波含量低,直流侧输出电压准确跟踪给定值,保持单位功率因数运行,系统具有良好的动态、稳态性能,从而验证了该文所提策略的正确性和可行性。

【原】抢鲜看｜《电工技术学报》2021年第6期目次及摘要