2025年第52卷第12期文章目次
2025, 52(12):1262-1271.
DOI: 10.12177/emca.2025.128
摘要:
【目的】次级分段磁通切换永磁直线电机(Sseg-FSPMLM)兼具高效率与低成本优势，适用于城市轨道交通牵引系统。本文旨在评估Sseg-FSPMLM在兼容现有轨道交通牵引及逆变回馈拓扑结构条件下的适用性，以探讨其在实际工程中的应用前景。【方法】首先，以广州地铁4号线为背景，对直线感应电机(LIM)与Sseg-FSPMLM的效率和使用成本进行了对比分析。然后，在不改变既有牵引供电系统与逆变回馈拓扑结构的前提下，构建了包含城市轨道交通牵引负载、储能回馈装置及电网接口的一体化仿真模型。最后，结合关键参数设计，对基于Sseg-FSPMLM的逆变回馈系统效能进行了测试与评估。【结果】在同等推力需求下，Sseg-FSPMLM的效率较LIM提升20%，且可节省34%的材料成本。基于建立的逆变回馈仿真模型，系统总计回收能量9.23×105 J，总储能比例达制动前动能的43.74%。【结论】将Sseg-FSPMLM作为牵引电机并应用于现有系统时，无需结构性改造逆变回馈拓扑，仅通过重新设计电气参数即可保障再生制动能量回馈系统的动态性能与稳定性，验证了Sseg-FSPMLM在现有轨道交通系统中直接应用的可行性。
【目的】次级分段磁通切换永磁直线电机(Sseg-FSPMLM)兼具高效率与低成本优势，适用于城市轨道交通牵引系统。本文旨在评估Sseg-FSPMLM在兼容现有轨道交通牵引及逆变回馈拓扑结构条件下的适用性，以探讨其在实际工程中的应用前景。【方法】首先，以广州地铁4号线为背景，对直线感应电机(LIM)与Sseg-FSPMLM的效率和使用成本进行了对比分析。然后，在不改变既有牵引供电系统与逆变回馈拓扑结构的前提下，构建了包含城市轨道交通牵引负载、储能回馈装置及电网接口的一体化仿真模型。最后，结合关键参数设计，对基于Sseg-FSPMLM的逆变回馈系统效能进行了测试与评估。【结果】在同等推力需求下，Sseg-FSPMLM的效率较LIM提升20%，且可节省34%的材料成本。基于建立的逆变回馈仿真模型，系统总计回收能量9.23×105 J，总储能比例达制动前动能的43.74%。【结论】将Sseg-FSPMLM作为牵引电机并应用于现有系统时，无需结构性改造逆变回馈拓扑，仅通过重新设计电气参数即可保障再生制动能量回馈系统的动态性能与稳定性，验证了Sseg-FSPMLM在现有轨道交通系统中直接应用的可行性。
2025, 52(12):1272-1283.
DOI: 10.12177/emca.2025.124
摘要:
【目的】针对车载增稳云台在非铺装路况下，传统比例-积分-微分(PID)控制策略出现的抗扰动效果较差、响应速度较慢等问题，本文设计一种基于线性扩张状态观测器(LESO)的单神经元自适应(SNA)-PID控制策略，用于提高云台姿态控制的稳定性以及抗扰动性。【方法】首先建立步进电机的数学模型。其次，根据LESO原理以及有监督Hebb学习规则的单神经元自适应算法，设计了一种基于LESO+SNA-PID控制策略，并通过Lyapunov稳定性理论证明了控制策略的收敛性。最后，为验证所提策略的有效性，搭建了实际的车载增稳云台，并在内、外扰动的条件下将其和传统PID以及LESO+PID控制策略进行对比分析。【结果】所提出的控制策略相较于传统PID控制以及LESO+PID控制在单次扰动、1 Hz连续扰动以及8 Hz连续扰动情况下，角度跟踪的峰峰值等指标均有大幅度减少；在目标值修改情况下，超调量略微增加，但极大的减少了调整时间。【结论】所提基于LESO+SNA-PID控制策略形成的双重补偿闭环策略有效提高了对外界扰动的抗干扰能力，并提升了响应速度，具有较强的工程应用价值。
【目的】针对车载增稳云台在非铺装路况下，传统比例-积分-微分(PID)控制策略出现的抗扰动效果较差、响应速度较慢等问题，本文设计一种基于线性扩张状态观测器(LESO)的单神经元自适应(SNA)-PID控制策略，用于提高云台姿态控制的稳定性以及抗扰动性。【方法】首先建立步进电机的数学模型。其次，根据LESO原理以及有监督Hebb学习规则的单神经元自适应算法，设计了一种基于LESO+SNA-PID控制策略，并通过Lyapunov稳定性理论证明了控制策略的收敛性。最后，为验证所提策略的有效性，搭建了实际的车载增稳云台，并在内、外扰动的条件下将其和传统PID以及LESO+PID控制策略进行对比分析。【结果】所提出的控制策略相较于传统PID控制以及LESO+PID控制在单次扰动、1 Hz连续扰动以及8 Hz连续扰动情况下，角度跟踪的峰峰值等指标均有大幅度减少；在目标值修改情况下，超调量略微增加，但极大的减少了调整时间。【结论】所提基于LESO+SNA-PID控制策略形成的双重补偿闭环策略有效提高了对外界扰动的抗干扰能力，并提升了响应速度，具有较强的工程应用价值。
2025, 52(12):1284-1295.
DOI: 10.12177/emca.2025.122
摘要:
【目的】匝间短路是配电变压器最为频发的故障类型，轻微匝间短路未及时处置，则可能演化为严重匝间短路，危及变压器的稳定运行。本研究旨在探索一种能够有效识别轻微故障的高精度诊断方法，以实现早期预警。【方法】首先，针对早期短路工况，提出一种用非线性电弧特性替代短路点阻抗的方法，并通过高阻抗小电弧模拟变压器匝间早期短路，提取故障前后绕组电流的信号并分析磁通变化等。其次，提出了基于注意力机制的多尺度残差网络模型，实现了对匝间短路的高效识别。【结果】仿真与试验结果表明，采用非线性电弧阻抗仿真得到的故障电流远小于线性阻抗，匝间短路导致铁心与绕组间气隙的漏磁通密度增大，造成电磁损耗总体上升。本文所提方法能够有效区分正常运行、轻微匝间短路和严重匝间短路三种状态，测试准确率高达0.975。【结论】本研究可有效揭示变压器早期匝间短路的电磁响应特性，为故障早期检测提供了理论参考。
【目的】匝间短路是配电变压器最为频发的故障类型，轻微匝间短路未及时处置，则可能演化为严重匝间短路，危及变压器的稳定运行。本研究旨在探索一种能够有效识别轻微故障的高精度诊断方法，以实现早期预警。【方法】首先，针对早期短路工况，提出一种用非线性电弧特性替代短路点阻抗的方法，并通过高阻抗小电弧模拟变压器匝间早期短路，提取故障前后绕组电流的信号并分析磁通变化等。其次，提出了基于注意力机制的多尺度残差网络模型，实现了对匝间短路的高效识别。【结果】仿真与试验结果表明，采用非线性电弧阻抗仿真得到的故障电流远小于线性阻抗，匝间短路导致铁心与绕组间气隙的漏磁通密度增大，造成电磁损耗总体上升。本文所提方法能够有效区分正常运行、轻微匝间短路和严重匝间短路三种状态，测试准确率高达0.975。【结论】本研究可有效揭示变压器早期匝间短路的电磁响应特性，为故障早期检测提供了理论参考。
2025, 52(12):1296-1306.
DOI: 10.12177/emca.2025.127
摘要:
【目的】针对高比例风光能源接入配电网导致的运行经济性与用户满意度之间的协调优化问题以及风光出力不确定，提出一种需求响应中考虑用户满意度约束的主动配电网两阶段分布鲁棒优化调度方法，以实现经济效益与用户满意度的协调优化。【方法】考虑需求响应和用户满意度，建立综合网损成本、弃风弃光成本、购电成本、用户削减成本及开关操作惩罚成本的配电网重构优化模型；引入Frank-Copula函数刻画风光出力相关性，结合K-means聚类生成典型场景集，构建基于1-范数和∞-置信区间的分布鲁棒优化模型，第一阶段确定支路开断及储能状态，第二阶段确定功率分配与需求响应策略，采用列与约束生成算法求解。【结果】以IEEE 33节点配电网为例，首先设置4种场景进行仿真，结果表明，本文方法能有效提升清洁能源消纳率，降低运行成本，平缓负荷曲线，兼顾用户用电满意度；其次，进行分布鲁棒模糊集置信度灵敏性分析，结果表明，置信区间增大，风光出力不确定性增大，模型保守度变高，成本也随之上升。【结论】考虑需求响应中用户满意度的主动配电网分布式鲁棒优化模型，显著提升了配电网的运行经济性和用户满意度，为解决高比例风光能源接入问题提供了有效途径。
【目的】针对高比例风光能源接入配电网导致的运行经济性与用户满意度之间的协调优化问题以及风光出力不确定，提出一种需求响应中考虑用户满意度约束的主动配电网两阶段分布鲁棒优化调度方法，以实现经济效益与用户满意度的协调优化。【方法】考虑需求响应和用户满意度，建立综合网损成本、弃风弃光成本、购电成本、用户削减成本及开关操作惩罚成本的配电网重构优化模型；引入Frank-Copula函数刻画风光出力相关性，结合K-means聚类生成典型场景集，构建基于1-范数和∞-置信区间的分布鲁棒优化模型，第一阶段确定支路开断及储能状态，第二阶段确定功率分配与需求响应策略，采用列与约束生成算法求解。【结果】以IEEE 33节点配电网为例，首先设置4种场景进行仿真，结果表明，本文方法能有效提升清洁能源消纳率，降低运行成本，平缓负荷曲线，兼顾用户用电满意度；其次，进行分布鲁棒模糊集置信度灵敏性分析，结果表明，置信区间增大，风光出力不确定性增大，模型保守度变高，成本也随之上升。【结论】考虑需求响应中用户满意度的主动配电网分布式鲁棒优化模型，显著提升了配电网的运行经济性和用户满意度，为解决高比例风光能源接入问题提供了有效途径。
2025, 52(12):1307-1316.
DOI: 10.12177/emca.2025.130
摘要:
【目的】为有效抑制内置式永磁同步电动机(IPMSM)的振动噪声，提升其运行的平稳性及可靠性，探讨了通过改变气隙长度优化IPMSM振动噪声的方法。【方法】本研究选取一台应用于拉丝机的8极48槽IPMSM作为研究对象。采用有限元法对电机运行时的径向电磁力和切向电磁力进行了计算与分析，并对力波进行了二维傅里叶分解，深入分析了其主要力波的阶次及频率。在此基础上，运用Workbench开展了电机的模态分析及振动噪声仿真分析，重点对比了不同气隙长度下电机的振动加速度及A加权声压级云图，揭示了振动噪声特性的变化规律。考虑了转子静态偏心对径向电磁力波的影响，分析了转子偏心距离2 mm条件下径向电磁力的阶次变化。【结果】仿真结果表明，气隙长度适当增大可在一定程度上降低电机的振动噪声水平以及齿槽转矩的幅值；同时，气隙的增大不可避免地削弱了主磁场强度，导致电机的输出转矩会随着气隙的增大而减小。转子静态偏心情况下会对电磁力的空间阶次产生影响，但是不会改变电磁力的时间阶次。【结论】实际设计中需在降噪效果与转矩性能之间进行综合权衡，且转子偏心对电机的电磁振动噪声的影响较大，在电机制造和使用中避免转子偏心的情况。
【目的】为有效抑制内置式永磁同步电动机(IPMSM)的振动噪声，提升其运行的平稳性及可靠性，探讨了通过改变气隙长度优化IPMSM振动噪声的方法。【方法】本研究选取一台应用于拉丝机的8极48槽IPMSM作为研究对象。采用有限元法对电机运行时的径向电磁力和切向电磁力进行了计算与分析，并对力波进行了二维傅里叶分解，深入分析了其主要力波的阶次及频率。在此基础上，运用Workbench开展了电机的模态分析及振动噪声仿真分析，重点对比了不同气隙长度下电机的振动加速度及A加权声压级云图，揭示了振动噪声特性的变化规律。考虑了转子静态偏心对径向电磁力波的影响，分析了转子偏心距离2 mm条件下径向电磁力的阶次变化。【结果】仿真结果表明，气隙长度适当增大可在一定程度上降低电机的振动噪声水平以及齿槽转矩的幅值；同时，气隙的增大不可避免地削弱了主磁场强度，导致电机的输出转矩会随着气隙的增大而减小。转子静态偏心情况下会对电磁力的空间阶次产生影响，但是不会改变电磁力的时间阶次。【结论】实际设计中需在降噪效果与转矩性能之间进行综合权衡，且转子偏心对电机的电磁振动噪声的影响较大，在电机制造和使用中避免转子偏心的情况。
2025, 52(12):1317-1326.
DOI: 10.12177/emca.2025.119
摘要:
【目的】屏蔽式永磁同步电机(CPMSM)因屏蔽套的密封性，被广泛应用于核电、化工等恶劣环境。但屏蔽套的涡流损耗会导致电机温升，影响性能。为降低损耗与温升，本文系统研究了非金属陶瓷屏蔽材料的电磁热耦合效应，探索其应用潜力。【方法】本研究以一台额定功率1.5 kW、转速9 000 r/min的CPMSM为研究对象，构建二维有限元模型，采用电磁场与温度场的双向耦合迭代算法，对三种不同物理性质材料的屏蔽套进行对比分析。研究了屏蔽套材料物理特性对电机感应电动势、气隙磁密、损耗、转矩及效率的影响，并深入分析了其温度分布特性。【结果】研究结果表明，氮化硅(Si3N4)材料作为电机屏蔽套时，凭借其绝缘性特征，有效抑制了涡流损耗，提高了电机效率与输出转矩，且感应电动势基波幅值提升超过11%。与SUS316和SUS430材料相比，Si3N4使电机的温度分布更加均匀、温升更低，永磁体温度相比采用SUS316作为屏蔽套材料时降低了30%。【结论】Si3N4作为新型高性能屏蔽套材料，兼具电绝缘性、非磁性与高热导率等优异特性，能有效抑制涡流损耗、优化电磁特性并增强电机热稳定性，在高效、可靠、低损耗电机设计中具有重要应用前景。
【目的】屏蔽式永磁同步电机(CPMSM)因屏蔽套的密封性，被广泛应用于核电、化工等恶劣环境。但屏蔽套的涡流损耗会导致电机温升，影响性能。为降低损耗与温升，本文系统研究了非金属陶瓷屏蔽材料的电磁热耦合效应，探索其应用潜力。【方法】本研究以一台额定功率1.5 kW、转速9 000 r/min的CPMSM为研究对象，构建二维有限元模型，采用电磁场与温度场的双向耦合迭代算法，对三种不同物理性质材料的屏蔽套进行对比分析。研究了屏蔽套材料物理特性对电机感应电动势、气隙磁密、损耗、转矩及效率的影响，并深入分析了其温度分布特性。【结果】研究结果表明，氮化硅(Si3N4)材料作为电机屏蔽套时，凭借其绝缘性特征，有效抑制了涡流损耗，提高了电机效率与输出转矩，且感应电动势基波幅值提升超过11%。与SUS316和SUS430材料相比，Si3N4使电机的温度分布更加均匀、温升更低，永磁体温度相比采用SUS316作为屏蔽套材料时降低了30%。【结论】Si3N4作为新型高性能屏蔽套材料，兼具电绝缘性、非磁性与高热导率等优异特性，能有效抑制涡流损耗、优化电磁特性并增强电机热稳定性，在高效、可靠、低损耗电机设计中具有重要应用前景。
2025, 52(12):1327-1337.
DOI: 10.12177/emca.2025.131
摘要:
【目的】本文旨在解决直驱永磁同步电机(PMSM)在变频器供电条件下损耗特性研究不足的问题。【方法】基于Simplorer搭建PMSM矢量控制系统，结合Maxwell建立的电机二维瞬态电磁场有限元模型，搭建场路耦合联合仿真模型，探究了工业磨机直驱PMSM在变频器供电下的铁心损耗与永磁体涡流损耗特性。【结果】在保持变频器其他参数不变的情况下，仅改变载波频率，PMSM气隙磁密中的5次和11次谐波幅值以及永磁体涡流损耗均随载波频率升高而降低；同时，定转子铁心磁密峰值随载波频率上升而减小，仿真所得铁耗亦呈现下降趋势。【结论】对比分析表明，当载波频率提升至5 kHz以上时，损耗对频率变化的敏感度下降。因此，选定5 kHz作为现场变频器的最佳载波频率。理论计算得到的系统效率与磨机现场实测运行效率具有良好一致性，从而验证了所建立理论模型与分析方法的准确性。
【目的】本文旨在解决直驱永磁同步电机(PMSM)在变频器供电条件下损耗特性研究不足的问题。【方法】基于Simplorer搭建PMSM矢量控制系统，结合Maxwell建立的电机二维瞬态电磁场有限元模型，搭建场路耦合联合仿真模型，探究了工业磨机直驱PMSM在变频器供电下的铁心损耗与永磁体涡流损耗特性。【结果】在保持变频器其他参数不变的情况下，仅改变载波频率，PMSM气隙磁密中的5次和11次谐波幅值以及永磁体涡流损耗均随载波频率升高而降低；同时，定转子铁心磁密峰值随载波频率上升而减小，仿真所得铁耗亦呈现下降趋势。【结论】对比分析表明，当载波频率提升至5 kHz以上时，损耗对频率变化的敏感度下降。因此，选定5 kHz作为现场变频器的最佳载波频率。理论计算得到的系统效率与磨机现场实测运行效率具有良好一致性，从而验证了所建立理论模型与分析方法的准确性。
2025, 52(12):1338-1347.
DOI: 10.12177/emca.2025.126
摘要:
【目的】屏蔽式永磁同步电机(CPMSM)因其优异的安全性与密闭性，被广泛应用于高要求的工业领域，并多采用变频器供电。然而，变频器产生的时间谐波电流会引发电机内部的电磁扰动，改变多物理场的耦合特性，使屏蔽套产生受迫形变，长期运行可能导致结构疲劳甚至电机损坏。因此，深入研究谐波电流对屏蔽套电磁力线密度分布及结构响应的影响，对于揭示变形机理、优化电机设计、提升运行可靠性具有重要意义。【方法】本文以一台1.5 kW、9 000 r/min的CPMSM为研究对象，开展电磁场与结构场联合仿真。首先，基于电磁场理论推导考虑时间谐波电流的径向电磁力解析式，然后构建CPMSM的仿真模型，通过施加不同参数的谐波电流，对屏蔽套内侧电磁力线密度进行了计算，并分析屏蔽套采用SUS304、SUS316和SUS430三种不锈钢材料时的受迫形变响应。【结果】仿真结果表明:电磁力线密度随时间谐波电流幅值增加而增强，随时间谐波电流次数增加电磁力线密度频率升高但幅值基本不变；电磁力线密度与相位角之间呈余弦变化关系，具有明显调制特性；其中，SUS430材料因磁导率较高，在相同激励下产生的电磁力线密度与形变量最大。【结论】本研究揭示了时间谐波电流对电机电磁力线密度分布及屏蔽套受迫形变的影响规律，为电机结构优化、谐波抑制提供理论依据，对提升电机运行稳定性有工程意义，也为屏蔽套设计与选材提供参考。
【目的】屏蔽式永磁同步电机(CPMSM)因其优异的安全性与密闭性，被广泛应用于高要求的工业领域，并多采用变频器供电。然而，变频器产生的时间谐波电流会引发电机内部的电磁扰动，改变多物理场的耦合特性，使屏蔽套产生受迫形变，长期运行可能导致结构疲劳甚至电机损坏。因此，深入研究谐波电流对屏蔽套电磁力线密度分布及结构响应的影响，对于揭示变形机理、优化电机设计、提升运行可靠性具有重要意义。【方法】本文以一台1.5 kW、9 000 r/min的CPMSM为研究对象，开展电磁场与结构场联合仿真。首先，基于电磁场理论推导考虑时间谐波电流的径向电磁力解析式，然后构建CPMSM的仿真模型，通过施加不同参数的谐波电流，对屏蔽套内侧电磁力线密度进行了计算，并分析屏蔽套采用SUS304、SUS316和SUS430三种不锈钢材料时的受迫形变响应。【结果】仿真结果表明:电磁力线密度随时间谐波电流幅值增加而增强，随时间谐波电流次数增加电磁力线密度频率升高但幅值基本不变；电磁力线密度与相位角之间呈余弦变化关系，具有明显调制特性；其中，SUS430材料因磁导率较高，在相同激励下产生的电磁力线密度与形变量最大。【结论】本研究揭示了时间谐波电流对电机电磁力线密度分布及屏蔽套受迫形变的影响规律，为电机结构优化、谐波抑制提供理论依据，对提升电机运行稳定性有工程意义，也为屏蔽套设计与选材提供参考。
2025, 52(12):1348-1360.
DOI: 10.12177/emca.2025.123
摘要:
【目的】针对永磁同步直线电机(PMSLM)在运行过程中由于外部负载扰动及温升引起的参数摄动而导致伺服精度下降的问题，本文使用基于超螺旋算法(STA)的位置环滑模控制器(SMC)，提出一种双在线迭代补偿(DOIC)控制策略，即STA-DOIC。【方法】首先，基于离散化的PMSLM数学模型构建预测框架，并分别引入负载扰动观测器(LDO)和参数扰动观测器(PDO)，以精准估计外部负载突变与内部参数摄动。其次，在预测时域内动态规划补偿时机，基于迭代学习算法在线求解最优补偿量。最后，将补偿量实时注入控制系统，有效消STA的残余误差，显著提升跟踪精度。【结果】基于仿真与试验数据，STA-DOIC控制策略在空载、负载及参数失配等多种工况下均表现出优越性能，平均跟踪误差降低幅度超过95%(仿真)与99%(试验)。LDO与PDO的引入进一步提升了系统抗扰动能力，在外部负载与参数摄动下误差均有所降低。参数η=3 600被确定为最优值，在保证高精度的同时兼顾了系统稳定性。【结论】本文所提STA-DOIC控制策略结合PDO和LDO，有效提升了系统对扰动和参数不确定性的鲁棒性，为高精度伺服控制提供可靠保障。
【目的】针对永磁同步直线电机(PMSLM)在运行过程中由于外部负载扰动及温升引起的参数摄动而导致伺服精度下降的问题，本文使用基于超螺旋算法(STA)的位置环滑模控制器(SMC)，提出一种双在线迭代补偿(DOIC)控制策略，即STA-DOIC。【方法】首先，基于离散化的PMSLM数学模型构建预测框架，并分别引入负载扰动观测器(LDO)和参数扰动观测器(PDO)，以精准估计外部负载突变与内部参数摄动。其次，在预测时域内动态规划补偿时机，基于迭代学习算法在线求解最优补偿量。最后，将补偿量实时注入控制系统，有效消STA的残余误差，显著提升跟踪精度。【结果】基于仿真与试验数据，STA-DOIC控制策略在空载、负载及参数失配等多种工况下均表现出优越性能，平均跟踪误差降低幅度超过95%(仿真)与99%(试验)。LDO与PDO的引入进一步提升了系统抗扰动能力，在外部负载与参数摄动下误差均有所降低。参数η=3 600被确定为最优值，在保证高精度的同时兼顾了系统稳定性。【结论】本文所提STA-DOIC控制策略结合PDO和LDO，有效提升了系统对扰动和参数不确定性的鲁棒性，为高精度伺服控制提供可靠保障。
《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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