2022年第49卷第4期文章目次
2022, 49(4):1-9.
DOI: 10.12177/emca.2022.003
摘要:
电机是实现电能转换的核心设备，用于驱动各种生产设备，其连续安全运行直接影响着国民经济及社会发展。异步电机应用广泛，运行工况多样，其故障诊断备受关注。对异步电机故障诊断的重要性以及存在的主要问题进行了分析,总结研究了近年来人工智能技术应用于该领域的最新进展，并提出了后续关注的重点方向和工作。
电机是实现电能转换的核心设备，用于驱动各种生产设备，其连续安全运行直接影响着国民经济及社会发展。异步电机应用广泛，运行工况多样，其故障诊断备受关注。对异步电机故障诊断的重要性以及存在的主要问题进行了分析,总结研究了近年来人工智能技术应用于该领域的最新进展，并提出了后续关注的重点方向和工作。
2022, 49(4):10-15.
DOI: 10.12177/emca.2021.208
摘要:
针对永磁直线同步电机(PMLSM)伺服系统的位置跟踪精度易受摩擦力、负载扰动等不确定性因素影响的问题，采用基于摩擦和扰动补偿的非奇异快速终端滑模控制（NFTSMC）方法来设计位置控制器。首先，建立含有Stribeck摩擦模型的PMLSM动态模型，使用自然选择粒子群算法对摩擦模型进行离线参数辨识；其次采用NFTSMC方法来确保系统状态快速收敛，避免奇异问题，利用辨识的摩擦模型进行补偿；最后采用滑模观测器对总不确定因素进行观测和补偿，削弱了抖振现象。仿真验证了所采用的控制策略提高了位置跟踪精度，同时具有快速收敛性和较强的抗扰性。
针对永磁直线同步电机(PMLSM)伺服系统的位置跟踪精度易受摩擦力、负载扰动等不确定性因素影响的问题，采用基于摩擦和扰动补偿的非奇异快速终端滑模控制（NFTSMC）方法来设计位置控制器。首先，建立含有Stribeck摩擦模型的PMLSM动态模型，使用自然选择粒子群算法对摩擦模型进行离线参数辨识；其次采用NFTSMC方法来确保系统状态快速收敛，避免奇异问题，利用辨识的摩擦模型进行补偿；最后采用滑模观测器对总不确定因素进行观测和补偿，削弱了抖振现象。仿真验证了所采用的控制策略提高了位置跟踪精度，同时具有快速收敛性和较强的抗扰性。
2022, 49(4):16-23,59.
DOI: 10.12177/emca.2021.192
摘要:
为实现永磁同步电机(PMSM)磁链与转矩的定量控制，基于磁链与转矩变化量简化模型，提出永磁同步电机磁链与转矩无差拍(DB)控制策略。实现DB控制需要转矩角信息，PMSM转矩角可通过查表或基于定子磁链d、q轴分量求解，但前者需要大量储存空间，后者需要转子位置实时信息和旋转坐标变换。构建和训练反向传播（BP）神经网络来输出转矩角，并采用BP神经网络替代DB控制实现理想电压矢量角度的预测，建立基于转矩角和理想电压矢量角度预测双BP神经网络的PMSM磁链与转矩DB控制系统。仿真结果表明，BP神经网络可用于预测转矩角和理想电压矢量角度，双BP神经网络的PMSM磁链与转矩DB控制系统运行良好。
为实现永磁同步电机(PMSM)磁链与转矩的定量控制，基于磁链与转矩变化量简化模型，提出永磁同步电机磁链与转矩无差拍(DB)控制策略。实现DB控制需要转矩角信息，PMSM转矩角可通过查表或基于定子磁链d、q轴分量求解，但前者需要大量储存空间，后者需要转子位置实时信息和旋转坐标变换。构建和训练反向传播（BP）神经网络来输出转矩角，并采用BP神经网络替代DB控制实现理想电压矢量角度的预测，建立基于转矩角和理想电压矢量角度预测双BP神经网络的PMSM磁链与转矩DB控制系统。仿真结果表明，BP神经网络可用于预测转矩角和理想电压矢量角度，双BP神经网络的PMSM磁链与转矩DB控制系统运行良好。
2022, 49(4):24-30.
DOI: 10.12177/emca.2021.213
摘要:
永磁同步电机（PMSM）双闭环调速控制系统中，作为内环的电流环直接制约着控制系统的动态响应性能。无差拍电流预测控制(DPCC)具有算法简单、动态响应快等优势，但DPCC需要精准的电机模型，参数不匹配会引起电流静差和畸变，尤其是电感失配，甚至会导致控制系统不稳定。为解决上述问题，提出改进型DPCC算法。首先，推导了传统DPCC的离散传递函数，分析了其参数敏感性影响。其次，改进DPCC算法，改善其电感参数敏感性，有效扩展电感适用范围，减小电流畸变。最后，通过MATLAB/Simulink仿真和试验验证了在电感失配下改进型DPCC的有效性。
永磁同步电机（PMSM）双闭环调速控制系统中，作为内环的电流环直接制约着控制系统的动态响应性能。无差拍电流预测控制(DPCC)具有算法简单、动态响应快等优势，但DPCC需要精准的电机模型，参数不匹配会引起电流静差和畸变，尤其是电感失配，甚至会导致控制系统不稳定。为解决上述问题，提出改进型DPCC算法。首先，推导了传统DPCC的离散传递函数，分析了其参数敏感性影响。其次，改进DPCC算法，改善其电感参数敏感性，有效扩展电感适用范围，减小电流畸变。最后，通过MATLAB/Simulink仿真和试验验证了在电感失配下改进型DPCC的有效性。
2022, 49(4):31-38.
DOI: 10.12177/emca.2021.218
摘要:
抑制三相逆变器共模电压的无零矢量脉宽调制（NZVPWM）发波技术，其死区效应会造成共模抑制失效。因此，提出一种改进的等效零矢量脉宽调制（AZSVPWM）技术，分析了可实现满调制度的死区约束条件，通过设置合理的死区范围，在宽调制范围内可保证对共模电压的有效抑制。通过仿真和试验验证了分析的正确性。
抑制三相逆变器共模电压的无零矢量脉宽调制（NZVPWM）发波技术，其死区效应会造成共模抑制失效。因此，提出一种改进的等效零矢量脉宽调制（AZSVPWM）技术，分析了可实现满调制度的死区约束条件，通过设置合理的死区范围，在宽调制范围内可保证对共模电压的有效抑制。通过仿真和试验验证了分析的正确性。
2022, 49(4):39-44，65.
DOI: 10.12177/emca.2021.209
摘要:
同性极式感应子电机具有无刷励磁和结构简单等特点，在飞轮储能、脉冲功率电源等领域有着广阔的应用前景。首先给出同性极式感应子电机的拓扑结构和运行原理。采用有限元法分析了矩形槽、弧形槽和正弦形槽转子对电机气隙磁密、反电动势和转矩等电磁性能的影响，研究不同槽形的转子在高速旋转下的应力分布规律。然后，综合考虑电磁和机械特性，选择弧形槽转子结构的感应子电机作为对象，对其性能进行分析。最后，对一台感应子电机样机进行试验测试，验证了相关分析的合理性。研究结果表明：同性极式感应子电机采用正弦形槽转子虽能获得较为正弦的气隙磁密，但在相同槽深条件下其基波分量比矩形槽和弧形槽约少了25.2%和24.3%，并且输出转矩较低。此外，矩形槽和正弦形槽都出现了明显的应力集中，分别位于转子凸极根部和槽表面，而采用弧形槽具有更均匀的应力分布。
同性极式感应子电机具有无刷励磁和结构简单等特点，在飞轮储能、脉冲功率电源等领域有着广阔的应用前景。首先给出同性极式感应子电机的拓扑结构和运行原理。采用有限元法分析了矩形槽、弧形槽和正弦形槽转子对电机气隙磁密、反电动势和转矩等电磁性能的影响，研究不同槽形的转子在高速旋转下的应力分布规律。然后，综合考虑电磁和机械特性，选择弧形槽转子结构的感应子电机作为对象，对其性能进行分析。最后，对一台感应子电机样机进行试验测试，验证了相关分析的合理性。研究结果表明：同性极式感应子电机采用正弦形槽转子虽能获得较为正弦的气隙磁密，但在相同槽深条件下其基波分量比矩形槽和弧形槽约少了25.2%和24.3%，并且输出转矩较低。此外，矩形槽和正弦形槽都出现了明显的应力集中，分别位于转子凸极根部和槽表面，而采用弧形槽具有更均匀的应力分布。
2022, 49(4):45-52.
DOI: 10.12177/emca.2021.210
摘要:
在低速大推力直线驱动领域，针对平板型永磁直线电机体积过大导致电机制造复杂和维护困难的问题，介绍了一种多边形组合式永磁直线同步电机（PCPMLSM）。沿着圆周方向叠片的PCPMLSM减小了涡流效应。利用三维有限元方法（FEM）对1台20极24槽的PCPMLSM进行了分析。针对该结构电机存在的边端力导致电机定位精度受限和推力特性恶化问题，分析了端部磁通不对称造成的单端边端力非周期变化规律，采用与初级铁心交链的磁极数为奇数和偶数时的单端边端力平均值的方式削弱此现象。在此基础上，提出采用优化初级铁心长度和各边的边端齿不等宽错位相结合的方法来削弱边端力。最后通过FEM验证了此方法的有效性。
在低速大推力直线驱动领域，针对平板型永磁直线电机体积过大导致电机制造复杂和维护困难的问题，介绍了一种多边形组合式永磁直线同步电机（PCPMLSM）。沿着圆周方向叠片的PCPMLSM减小了涡流效应。利用三维有限元方法（FEM）对1台20极24槽的PCPMLSM进行了分析。针对该结构电机存在的边端力导致电机定位精度受限和推力特性恶化问题，分析了端部磁通不对称造成的单端边端力非周期变化规律，采用与初级铁心交链的磁极数为奇数和偶数时的单端边端力平均值的方式削弱此现象。在此基础上，提出采用优化初级铁心长度和各边的边端齿不等宽错位相结合的方法来削弱边端力。最后通过FEM验证了此方法的有效性。
2022, 49(4):53-59.
DOI: 10.12177/emca.2021.223
摘要:
永磁风力发电机定转子偏心会造成发电机气隙分布不均匀而产生磁场不平衡，使发电机振动加剧，严重时甚至引发转子扫膛，使发电机损坏失效。以某兆瓦级永磁风力发电机为研究对象，理论分析了气隙偏心对发电机气隙磁密和径向电磁力的影响，对于不同气隙偏心量下的风力发电机瞬态电磁场开展有限元分析，获得气隙磁密和径向电磁力分布特性变化规律，进而开展径向电磁力作用下定子谐响应分析，以掌握气隙偏心引起的定子振动响应特性。结果表明：随着气隙偏心量的增加，气隙最小处气隙磁密幅值增大，径向电磁力新增边带分量；发电机定子振动响应中工作频率的倍频幅值也随之增大，其中二阶径向模态响应幅值最大。所得结果可为发电机气隙监测方法研究提供一定的理论依据。
永磁风力发电机定转子偏心会造成发电机气隙分布不均匀而产生磁场不平衡，使发电机振动加剧，严重时甚至引发转子扫膛，使发电机损坏失效。以某兆瓦级永磁风力发电机为研究对象，理论分析了气隙偏心对发电机气隙磁密和径向电磁力的影响，对于不同气隙偏心量下的风力发电机瞬态电磁场开展有限元分析，获得气隙磁密和径向电磁力分布特性变化规律，进而开展径向电磁力作用下定子谐响应分析，以掌握气隙偏心引起的定子振动响应特性。结果表明：随着气隙偏心量的增加，气隙最小处气隙磁密幅值增大，径向电磁力新增边带分量；发电机定子振动响应中工作频率的倍频幅值也随之增大，其中二阶径向模态响应幅值最大。所得结果可为发电机气隙监测方法研究提供一定的理论依据。
2022, 49(4):60-65.
DOI: 10.12177/emca.2021.212
摘要:
不同于常规自然散热或机壳水冷电机，内潜水式电机直接采用水对电机内部进行冷却，因此存在整机流固共轭传热的强耦合。为提高电机的可靠性与安全性，流场与温度场耦合传热分析十分必要。针对某船用气隙水冷方式的内潜水式永磁电机，基于计算流体动力学(CFD)原理，对该电机三维流场与温度场进行数值仿真分析与几何结构改进，消除了电机内部流场出现的逆流现象，提高了整机的散热效率，优化了电机的流场与温升。所得结果对该型内潜水式电机的几何结构设计具有一定的参考意义。
不同于常规自然散热或机壳水冷电机，内潜水式电机直接采用水对电机内部进行冷却，因此存在整机流固共轭传热的强耦合。为提高电机的可靠性与安全性，流场与温度场耦合传热分析十分必要。针对某船用气隙水冷方式的内潜水式永磁电机，基于计算流体动力学(CFD)原理，对该电机三维流场与温度场进行数值仿真分析与几何结构改进，消除了电机内部流场出现的逆流现象，提高了整机的散热效率，优化了电机的流场与温升。所得结果对该型内潜水式电机的几何结构设计具有一定的参考意义。
2022, 49(4):66-70，82.
DOI: 10.12177/emca.2021.216
摘要:
高速永磁电机（HSPMM）结构紧凑、功率密度高、散热困难，易使转子永磁体因温度过高而发生不可逆退磁。以一台额定转速为30 000 r/min的HSPMM为例，基于计算流体力学和数值传热学的原理，从工程实际应用的角度，对不同通风量下的转子风摩耗及温升进行计算分析，并与电机温升试验进行对比。研究表明：HSPMM转子风摩耗占总风摩耗比重较大，且该比重随着流量的增加而增加；通风量达到一定值后，电机散热达到平衡，转子风摩耗随着流速的增加而急剧增加，使永磁体温度升高。增加机座水冷后，可以降低通风量，使电机达到理想温升水平。
高速永磁电机（HSPMM）结构紧凑、功率密度高、散热困难，易使转子永磁体因温度过高而发生不可逆退磁。以一台额定转速为30 000 r/min的HSPMM为例，基于计算流体力学和数值传热学的原理，从工程实际应用的角度，对不同通风量下的转子风摩耗及温升进行计算分析，并与电机温升试验进行对比。研究表明：HSPMM转子风摩耗占总风摩耗比重较大，且该比重随着流量的增加而增加；通风量达到一定值后，电机散热达到平衡，转子风摩耗随着流速的增加而急剧增加，使永磁体温度升高。增加机座水冷后，可以降低通风量，使电机达到理想温升水平。
2022, 49(4):71-76.
DOI: 10.12177/emca.2021.220
摘要:
为了进一步提升矿用集中绕组永磁电机的功率密度和散热能力，提出一种冷却水管与绕组并绕的新型绕组冷却结构。以一台315 kW集中绕组永磁电机为例，首先，通过合理的等效与假设，建立了电机的三维模型，基于计算流体力学（CFD）方法对电机进行温度场分析。其次，分析了不同的并绕方式以及相同并绕方式下不同的进水口进水速度对电机散热的影响，确定了最优散热方式。仿真分析表明冷却水管与绕组并绕的方式有效提高了散热能力。
为了进一步提升矿用集中绕组永磁电机的功率密度和散热能力，提出一种冷却水管与绕组并绕的新型绕组冷却结构。以一台315 kW集中绕组永磁电机为例，首先，通过合理的等效与假设，建立了电机的三维模型，基于计算流体力学（CFD）方法对电机进行温度场分析。其次，分析了不同的并绕方式以及相同并绕方式下不同的进水口进水速度对电机散热的影响，确定了最优散热方式。仿真分析表明冷却水管与绕组并绕的方式有效提高了散热能力。
2022, 49(4):77-82.
DOI: 10.12177/emca.2021.217
摘要:
为了降低高压异步电机的温升、强化电机内部的对流传热，以一台额定功率为1 250 kW的高压异步电机为研究对象，基于计算流体力学和对流传热优化的场协同理论，设计了新的转子通风结构。建立电机三维耦合分析模型，对电机进行流热耦合分析，借助数字化仿真技术计算并比较了新老转子通风结构下的电机各个通风道的流体流动及传热特性。从对流传热优化的场协同角度，得出了不同转子通风结构下的电机温升和温度分布规律，为高压异步电机通风结构优化设计提供参考依据。最后，将新电机结构的温升计算结果与样机的型式试验结果进行对比，温升误差仅为4%，验证了计算方法的准确性和有效性。
为了降低高压异步电机的温升、强化电机内部的对流传热，以一台额定功率为1 250 kW的高压异步电机为研究对象，基于计算流体力学和对流传热优化的场协同理论，设计了新的转子通风结构。建立电机三维耦合分析模型，对电机进行流热耦合分析，借助数字化仿真技术计算并比较了新老转子通风结构下的电机各个通风道的流体流动及传热特性。从对流传热优化的场协同角度，得出了不同转子通风结构下的电机温升和温度分布规律，为高压异步电机通风结构优化设计提供参考依据。最后，将新电机结构的温升计算结果与样机的型式试验结果进行对比，温升误差仅为4%，验证了计算方法的准确性和有效性。
2022, 49(4):83-88.
DOI: 10.12177/emca.2021.214
摘要:
针对燃料电池空压机高速电机转子易因高速失稳而损坏、因转子过重而导致空气轴承加速磨损的问题，使用有限元法对不同转子结构的转子应力和临界转速进行了研究，提出了一种轴向预紧固定磁钢的空心转子结构。以一台额定功率35 kW，峰值转速100 000 r/min的超高速永磁电机为例，综合对比分析了不同转子结构在转子强度、临界转速、质量、转动惯量、装配工艺性以及可靠性等方面的优缺点。对比结果表明，虽然新转子结构在转子强度上稍差于几种常见转子结构，但在其他方面均具有优异的特性。最后，根据新转子结构制作了空压机样机，试验结果表明，该样机可以在100 000 r/min转速下稳定运行，验证了新转子结构设计的合理性。
针对燃料电池空压机高速电机转子易因高速失稳而损坏、因转子过重而导致空气轴承加速磨损的问题，使用有限元法对不同转子结构的转子应力和临界转速进行了研究，提出了一种轴向预紧固定磁钢的空心转子结构。以一台额定功率35 kW，峰值转速100 000 r/min的超高速永磁电机为例，综合对比分析了不同转子结构在转子强度、临界转速、质量、转动惯量、装配工艺性以及可靠性等方面的优缺点。对比结果表明，虽然新转子结构在转子强度上稍差于几种常见转子结构，但在其他方面均具有优异的特性。最后，根据新转子结构制作了空压机样机，试验结果表明，该样机可以在100 000 r/min转速下稳定运行，验证了新转子结构设计的合理性。
2022, 49(4):89-94.
DOI: 10.12177/emca.2021.211
摘要:
为适应平流水发电水流变化、转速不稳定等外部环境的变化，提高发电站的发电效率，在直驱式永磁同步发电机（PMSG）机侧控制算法的基础上，设计一种带反馈增益自调整算法的滑模观测器（SMO），对PMSG的转子位置进行估算，从而改善低速的估计误差。通过设计一套37 kW的PMSG发电机组，并在现场进行了试验测试，验证了算法可以有效控制直驱PMSG在低速运行时的转子位置估算误差，在高速运行时算法能够快速收敛，满足PMSG控制要求。
为适应平流水发电水流变化、转速不稳定等外部环境的变化，提高发电站的发电效率，在直驱式永磁同步发电机（PMSG）机侧控制算法的基础上，设计一种带反馈增益自调整算法的滑模观测器（SMO），对PMSG的转子位置进行估算，从而改善低速的估计误差。通过设计一套37 kW的PMSG发电机组，并在现场进行了试验测试，验证了算法可以有效控制直驱PMSG在低速运行时的转子位置估算误差，在高速运行时算法能够快速收敛，满足PMSG控制要求。
2022, 49(4):95-102.
DOI: 10.12177/emca.2021.203
摘要:
针对永磁同步电机(PMSM)驱动系统中电流传感器的典型故障，提出一种基于二次差分的电流传感器故障诊断方法。该方法通过判断电流残差与阈值的关系定位故障传感器，通过计算电流传感器输出电流的二次差分和周期电流积分识别故障类型。该方法能够准确识别出电流传感器的四种典型故障类型，为故障后的容错及维修提供准确信息，且由于对电流残差进行了周期性重构，增强了算法的鲁棒性。仿真和试验结果表明，该方法能够准确定位并识别故障传感器，且对参数不匹配及电流扰动具有较好的鲁棒性。
针对永磁同步电机(PMSM)驱动系统中电流传感器的典型故障，提出一种基于二次差分的电流传感器故障诊断方法。该方法通过判断电流残差与阈值的关系定位故障传感器，通过计算电流传感器输出电流的二次差分和周期电流积分识别故障类型。该方法能够准确识别出电流传感器的四种典型故障类型，为故障后的容错及维修提供准确信息，且由于对电流残差进行了周期性重构，增强了算法的鲁棒性。仿真和试验结果表明，该方法能够准确定位并识别故障传感器，且对参数不匹配及电流扰动具有较好的鲁棒性。
2022, 49(4):103-108.
DOI: 10.12177/emca.2021.221
摘要:
在双馈感应发电机（DFIG）高电压穿越（HVRT）问题中，电压骤升引起的暂态过电流不足以触发撬棒保护动作，致使HVRT下的定转子短路电流特性比低电压穿越（LVRT）更复杂。推导了计及电磁暂态过渡过程和转子侧换流器（RSC）调控共同作用影响下的定转子电流表达式。在此基础上考虑并网规范要求的DFIG无功电流支撑，控制RSC和网侧换流器（GSC）输出与骤升幅度相对应的分量，使DFIG工作于无功支持状态。仿真结果表明，定转子电流表达式准确描述了HVRT期间的故障电流，所得结果更具一般性，且对故障电气量的计算具有重要意义；改进无功电流配置实现了DFIG的HVRT。研究结果对掌握DFIG的动态过程具有一定的参考价值。
在双馈感应发电机（DFIG）高电压穿越（HVRT）问题中，电压骤升引起的暂态过电流不足以触发撬棒保护动作，致使HVRT下的定转子短路电流特性比低电压穿越（LVRT）更复杂。推导了计及电磁暂态过渡过程和转子侧换流器（RSC）调控共同作用影响下的定转子电流表达式。在此基础上考虑并网规范要求的DFIG无功电流支撑，控制RSC和网侧换流器（GSC）输出与骤升幅度相对应的分量，使DFIG工作于无功支持状态。仿真结果表明，定转子电流表达式准确描述了HVRT期间的故障电流，所得结果更具一般性，且对故障电气量的计算具有重要意义；改进无功电流配置实现了DFIG的HVRT。研究结果对掌握DFIG的动态过程具有一定的参考价值。
《电机与控制应用》
月刊，1959年创刊
- 主管单位：上海市经济和信息化委员会
- 主办单位：上海电器科学研究所（集团）有限公司
- 刊号：ISSN 1673-6540
- CN 31-1959/TM
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