2024年第51卷第6期文章目次
2024, 51(6):1-11.
DOI: 10.12177/emca.2024.038
摘要:
六相永磁同步电机具有缺相运行能力，因此必须对其高阻连接状态作出精准预判，以确保对故障线路实施有效切断，防止系统扰动引起保护误动作，并为容错控制提供可靠判据。基于矢量空间解耦方法建立了六相永磁同步电机完全解耦的数学模型，并建立其控制系统模型。采集正常状态与高阻连接状态下的电机信号，通过小波包分解提取其能量距特征，输入前向反馈神经网络进行离线训练，最后将其应用于剧烈变化工况下，在线感知高阻连接状态的发展态势。基于Matlab进行仿真，结果表明所提策略能够有效识别高阻连接状态，灵敏感知其发展态势，并在高阻故障发生前发出预警信号，同时对剧烈变化工况具有一定鲁棒性。
六相永磁同步电机具有缺相运行能力，因此必须对其高阻连接状态作出精准预判，以确保对故障线路实施有效切断，防止系统扰动引起保护误动作，并为容错控制提供可靠判据。基于矢量空间解耦方法建立了六相永磁同步电机完全解耦的数学模型，并建立其控制系统模型。采集正常状态与高阻连接状态下的电机信号，通过小波包分解提取其能量距特征，输入前向反馈神经网络进行离线训练，最后将其应用于剧烈变化工况下，在线感知高阻连接状态的发展态势。基于Matlab进行仿真，结果表明所提策略能够有效识别高阻连接状态，灵敏感知其发展态势，并在高阻故障发生前发出预警信号，同时对剧烈变化工况具有一定鲁棒性。
2024, 51(6):12-19.
DOI: 10.12177/emca.2024.049
摘要:
感应线圈型发射器中每级驱动线圈都会对电枢产生脉冲形式的电磁推力，导致电枢在发射过程中加速力波动较大。过大的加速力峰值以及加速力波动都可能对载荷造成不利影响甚至损坏其内部携带的敏感电子器件，因而限制了感应线圈型发射器在实际工程应用中的价值。针对上述问题，提出一种多电容分时触发的新型驱动电路，并通过分析电容值和电枢触发位置变化对发射器发射效率的影响，说明了该电路的可行性。设计三种模式的驱动电路进行对比，研究结果表明：相比于其他电路触发模式，提出的分时触发模式在初始储能相同和电枢出口速度近似的情况下，电磁加速力峰值降低了2.04 kN，加速力波动降低了2.36 kN。因此，采用分时触发电容的驱动外电路，可以有效降低电枢的加速力峰值和加速力波动，并为携带敏感载荷的感应线圈型发射器的设计提供了参考价值。
感应线圈型发射器中每级驱动线圈都会对电枢产生脉冲形式的电磁推力，导致电枢在发射过程中加速力波动较大。过大的加速力峰值以及加速力波动都可能对载荷造成不利影响甚至损坏其内部携带的敏感电子器件，因而限制了感应线圈型发射器在实际工程应用中的价值。针对上述问题，提出一种多电容分时触发的新型驱动电路，并通过分析电容值和电枢触发位置变化对发射器发射效率的影响，说明了该电路的可行性。设计三种模式的驱动电路进行对比，研究结果表明：相比于其他电路触发模式，提出的分时触发模式在初始储能相同和电枢出口速度近似的情况下，电磁加速力峰值降低了2.04 kN，加速力波动降低了2.36 kN。因此，采用分时触发电容的驱动外电路，可以有效降低电枢的加速力峰值和加速力波动，并为携带敏感载荷的感应线圈型发射器的设计提供了参考价值。
2024, 51(6):20-30.
DOI: 10.12177/emca.2024.042
摘要:
针对传统环形耦合控制策略中误差传递迟滞现象随着电机数量增加变严重的问题，提出一种基于事件触发的多电机系统一致性控制策略。通过一致性算法获取多电机系统中各电机的转速补偿项，以保证各电机转速一致性的同时，提升系统的跟踪性能。当系统达到稳态后，通过事件触发机制，减少非必要的通信次数，节约通信资源。另外，环形耦合结构可保证在事件触发阈值内系统的同步性能，且触发阈值随时间增加而减小。仿真结果表明，相较于传统环形耦合控制策略，所提策略的多电机系统具有更好的同步性能及跟踪性能，且随着系统中电机数量的增加，误差传递迟滞问题得到明显的改善。同时，事件触发控制有效减少稳态过程中非必要的通信次数。
针对传统环形耦合控制策略中误差传递迟滞现象随着电机数量增加变严重的问题，提出一种基于事件触发的多电机系统一致性控制策略。通过一致性算法获取多电机系统中各电机的转速补偿项，以保证各电机转速一致性的同时，提升系统的跟踪性能。当系统达到稳态后，通过事件触发机制，减少非必要的通信次数，节约通信资源。另外，环形耦合结构可保证在事件触发阈值内系统的同步性能，且触发阈值随时间增加而减小。仿真结果表明，相较于传统环形耦合控制策略，所提策略的多电机系统具有更好的同步性能及跟踪性能，且随着系统中电机数量的增加，误差传递迟滞问题得到明显的改善。同时，事件触发控制有效减少稳态过程中非必要的通信次数。
2024, 51(6):31-43.
DOI: 10.12177/emca.2024.046
摘要:
星-三角（Y-Δ）接法多层绕组结构可以抑制分数槽永磁电机电枢磁场的低次谐波磁动势，提高电机运行效率。但其结构较常规Y接法双层绕组结构更为复杂，发生匝间短路的风险更高。首先，建立Y-Δ接法分数槽永磁电机(FS-PMM)发生匝间短路的电路模型，推导出故障发生后电机三相电流，分析出三相故障电流会受匝间短路位置的影响。其次，利用自适应权重和柯西-高斯变异策略对鲸鱼捕食优化算法进行改进，用于优化变分模态分解参数，提出一种参数优化的变分模态分解算法对电流信号进行处理。最后，通过计算电流和电磁转矩的多尺度模糊熵，提出Y-Δ接法FS-PMM匝间短路故障诊断方法。该方法故障诊断准确率达到95%以上，并可以对Y接法部分和Δ接法部分的匝间短路故障进行有效区分。
星-三角（Y-Δ）接法多层绕组结构可以抑制分数槽永磁电机电枢磁场的低次谐波磁动势，提高电机运行效率。但其结构较常规Y接法双层绕组结构更为复杂，发生匝间短路的风险更高。首先，建立Y-Δ接法分数槽永磁电机(FS-PMM)发生匝间短路的电路模型，推导出故障发生后电机三相电流，分析出三相故障电流会受匝间短路位置的影响。其次，利用自适应权重和柯西-高斯变异策略对鲸鱼捕食优化算法进行改进，用于优化变分模态分解参数，提出一种参数优化的变分模态分解算法对电流信号进行处理。最后，通过计算电流和电磁转矩的多尺度模糊熵，提出Y-Δ接法FS-PMM匝间短路故障诊断方法。该方法故障诊断准确率达到95%以上，并可以对Y接法部分和Δ接法部分的匝间短路故障进行有效区分。
2024, 51(6):44-56.
DOI: 10.12177/emca.2024.039
摘要:
整流器作为电励磁双凸极发电机（DSEG）的重要组件，其承受频繁的高压和大电流，容易产生故障。然而由于DSEG相电流的不对称性和非正弦性，传统的故障诊断算法在变工况的暂态极易出现误检测。为了诊断DSEG整流单元的开路故障，提出了一种基于相电流大小位置关系的强鲁棒性诊断策略。理论推导和试验验证表明，所提出的强鲁棒性开路故障诊断策略在变负载、变励磁和变转速的暂态不会出现误诊断，并且可以在一个基波周期内检测出所有类型的单管和双管开路故障，计算量小，占用空间小。
整流器作为电励磁双凸极发电机（DSEG）的重要组件，其承受频繁的高压和大电流，容易产生故障。然而由于DSEG相电流的不对称性和非正弦性，传统的故障诊断算法在变工况的暂态极易出现误检测。为了诊断DSEG整流单元的开路故障，提出了一种基于相电流大小位置关系的强鲁棒性诊断策略。理论推导和试验验证表明，所提出的强鲁棒性开路故障诊断策略在变负载、变励磁和变转速的暂态不会出现误诊断，并且可以在一个基波周期内检测出所有类型的单管和双管开路故障，计算量小，占用空间小。
2024, 51(6):57-68.
DOI: 10.12177/emca.2024.045
摘要:
基于放电电感模型全面地分析了感应子脉冲发电机容性整流系统的瞬态特性，厘清了此整流系统存在的全部四种工作模态。推导出各模态之间的临界电压值，以及换流延迟角度和重叠角度的计算式，建立了瞬态模型,并用阀对阀电路仿真和试验结果验证了所提理论计算的准确性。阐明了电路中各模态对充电过程的作用，分析了电路的等效形式，揭示了充电电压与电机电势(EMF)幅值的设计原理。研究结果表明：电路可以看成直流电源串联一个等效换流电抗和等效瞬态换流电感对电容器充电的形式；整个充电过程中起主要作用的是模态1和模态2；合理的充电电压设置值应介于1.3倍~1.5倍发电机相电势幅值之间。
基于放电电感模型全面地分析了感应子脉冲发电机容性整流系统的瞬态特性，厘清了此整流系统存在的全部四种工作模态。推导出各模态之间的临界电压值，以及换流延迟角度和重叠角度的计算式，建立了瞬态模型,并用阀对阀电路仿真和试验结果验证了所提理论计算的准确性。阐明了电路中各模态对充电过程的作用，分析了电路的等效形式，揭示了充电电压与电机电势(EMF)幅值的设计原理。研究结果表明：电路可以看成直流电源串联一个等效换流电抗和等效瞬态换流电感对电容器充电的形式；整个充电过程中起主要作用的是模态1和模态2；合理的充电电压设置值应介于1.3倍~1.5倍发电机相电势幅值之间。
2024, 51(6):69-77.
DOI: 10.12177/emca.2024.043
摘要:
用于电动汽车的永磁同步电机不仅需要考虑额定工况的性能，还需要考虑整个路谱下的综合效率。基于此，介绍了一种基于新标欧洲循环测试(NEDC)路谱的非对称V型内嵌式永磁同步电机优化设计方法。将上述非对称电机中永磁体上下两部分的几何参数分别作为独立参数进行参数化建模，然后以NEDC效率和转矩成本比为优化目标，采用遗传算法分别对对称和非对称V型永磁同步电机进行多目标优化。最后，选取帕累托前沿上的最佳设计点进行电磁性能仿真比较。仿真结果表明，与对称结构相比，非对称转子结构由于磁场偏移效应而表现出更强的转矩性能。因此，非对称V型永磁同步电机具有更加优异的电磁性能和更低的制造成本，在电动汽车领域具有广阔的应用前景。
用于电动汽车的永磁同步电机不仅需要考虑额定工况的性能，还需要考虑整个路谱下的综合效率。基于此，介绍了一种基于新标欧洲循环测试(NEDC)路谱的非对称V型内嵌式永磁同步电机优化设计方法。将上述非对称电机中永磁体上下两部分的几何参数分别作为独立参数进行参数化建模，然后以NEDC效率和转矩成本比为优化目标，采用遗传算法分别对对称和非对称V型永磁同步电机进行多目标优化。最后，选取帕累托前沿上的最佳设计点进行电磁性能仿真比较。仿真结果表明，与对称结构相比，非对称转子结构由于磁场偏移效应而表现出更强的转矩性能。因此，非对称V型永磁同步电机具有更加优异的电磁性能和更低的制造成本，在电动汽车领域具有广阔的应用前景。
2024, 51(6):78-87.
DOI: 10.12177/emca.2024.051
摘要:
定子绕组的匝间短路故障是永磁同步电机最为常见的故障之一，故障发生时被短路部分绕组中将会产生较大的电流，这将对电机的安全运行造成巨大威胁。为实现匝间短路的故障诊断，将分析匝间短路故障对电机定子侧电流的影响。通过有限元仿真和试验测试获取不同匝间短路严重程度下的定子侧电流，从电流不平衡度、负序电流和小波能量谱三个角度分析匝间短路故障对电机定子侧电流的影响。分析结果表明，当短路匝数增加、故障点接触电阻减小时，电流不平衡度、负序电流和小波能量谱中的D1频段能量变化率都将增大。因此，这三个指标的增加可以作为匝间短路故障的判断依据。
定子绕组的匝间短路故障是永磁同步电机最为常见的故障之一，故障发生时被短路部分绕组中将会产生较大的电流，这将对电机的安全运行造成巨大威胁。为实现匝间短路的故障诊断，将分析匝间短路故障对电机定子侧电流的影响。通过有限元仿真和试验测试获取不同匝间短路严重程度下的定子侧电流，从电流不平衡度、负序电流和小波能量谱三个角度分析匝间短路故障对电机定子侧电流的影响。分析结果表明，当短路匝数增加、故障点接触电阻减小时，电流不平衡度、负序电流和小波能量谱中的D1频段能量变化率都将增大。因此，这三个指标的增加可以作为匝间短路故障的判断依据。
2024, 51(6):88-97.
DOI: 10.12177/emca.2024.047
摘要:
针对一台10极12槽表贴式永磁同步电机的极频振动问题，提出了一种轴线方向不等宽度磁极结构的削弱方案。该方案可以在保证电机转矩密度前提下，有效降低电机的极频振动。首先，根据麦克斯韦张量法，推导出电机径向电磁力的解析表达式，并建立了作用在电机定子齿部电磁力模型；同时，对样机中产生极频电磁力谐波的因素进行了分析研究。然后，通过有限元仿真分析，介绍了利用轴线方向不等宽度磁极结构降低极频电磁力的基本机理，并对优化前后的电机的电磁性能和振动加速度进行了比较分析。最后，研究结果表明，采用轴线方向不等宽度磁极结构能够有效地减弱极频电磁力谐波和振动，同时保持电机的转矩密度，证实了优化方案的有效性。
针对一台10极12槽表贴式永磁同步电机的极频振动问题，提出了一种轴线方向不等宽度磁极结构的削弱方案。该方案可以在保证电机转矩密度前提下，有效降低电机的极频振动。首先，根据麦克斯韦张量法，推导出电机径向电磁力的解析表达式，并建立了作用在电机定子齿部电磁力模型；同时，对样机中产生极频电磁力谐波的因素进行了分析研究。然后，通过有限元仿真分析，介绍了利用轴线方向不等宽度磁极结构降低极频电磁力的基本机理，并对优化前后的电机的电磁性能和振动加速度进行了比较分析。最后，研究结果表明，采用轴线方向不等宽度磁极结构能够有效地减弱极频电磁力谐波和振动，同时保持电机的转矩密度，证实了优化方案的有效性。
2024, 51(6):98-106.
DOI: 10.12177/emca.2024.041
摘要:
针对四电机伺服系统中单个电机的故障，提出了一种基于命令滤波反步法的容错控制方案。首先，建立带有未知惯量和不平衡力矩的故障伺服系统动力学模型；随后，采用命令滤波反步技术进行控制器设计，构建误差补偿系统提高控制精度；此外，利用神经网络处理故障电机引起的非线性扰动，并设计同步误差信号实现系统的同步控制；最后，基于Lyapunov稳定性理论证明单电机故障情况下闭环系统的稳定性，设计仿真验证了所提控制方法的有效性及优越性。
针对四电机伺服系统中单个电机的故障，提出了一种基于命令滤波反步法的容错控制方案。首先，建立带有未知惯量和不平衡力矩的故障伺服系统动力学模型；随后，采用命令滤波反步技术进行控制器设计，构建误差补偿系统提高控制精度；此外，利用神经网络处理故障电机引起的非线性扰动，并设计同步误差信号实现系统的同步控制；最后，基于Lyapunov稳定性理论证明单电机故障情况下闭环系统的稳定性，设计仿真验证了所提控制方法的有效性及优越性。
2024, 51(6):107-116.
DOI: 10.12177/emca.2024.050
摘要:
永磁同步电机在高频率工况时，定、转子铁心损耗和永磁体涡流损耗都会增加，使电机温度升高，从而导致绝缘老化、永磁体退磁等。为了解决高频损耗增加的问题，设计了一台定、转子铁心材料均为软磁复合材料的轴向分段式爪极定子、单段式爪极转子的双爪极电机。类似于双凸极结构会出现转矩脉动过大的问题，采用转子磁极偏移和定子斜极相结合的方式降低转矩脉动。最后，对电机的电磁设计和温度分布进行分析，验证设计的合理性。对于爪极参数的选取，研究主要尺寸比、极弧系数、转子磁极偏移距离和定子斜极角度对双爪极电机的气隙磁密、空载反电动势、转矩及转矩脉动的影响。
永磁同步电机在高频率工况时，定、转子铁心损耗和永磁体涡流损耗都会增加，使电机温度升高，从而导致绝缘老化、永磁体退磁等。为了解决高频损耗增加的问题，设计了一台定、转子铁心材料均为软磁复合材料的轴向分段式爪极定子、单段式爪极转子的双爪极电机。类似于双凸极结构会出现转矩脉动过大的问题，采用转子磁极偏移和定子斜极相结合的方式降低转矩脉动。最后，对电机的电磁设计和温度分布进行分析，验证设计的合理性。对于爪极参数的选取，研究主要尺寸比、极弧系数、转子磁极偏移距离和定子斜极角度对双爪极电机的气隙磁密、空载反电动势、转矩及转矩脉动的影响。
《电机与控制应用》
月刊，1959年创刊
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- 主办单位：上海电器科学研究所（集团）有限公司
- 刊号：ISSN 1673-6540
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