2025年第52卷第3期文章目次
2025, 52(3):231-240.
DOI: 10.12177/emca.2025.007
摘要:
【目的】为提升内置式永磁同步电机(IPMSM)在弱磁工况下的动态响应性能和稳定性，解决传统弱磁控制策略在高速运行时存在的电流轨迹偏离以及电压饱和问题，提出了一种改进的IPMSM弱磁控制策略。【方法】首先，基于IPMSM数学模型分析了传统负d轴电流补偿策略的电流轨迹，发现电流矢量旋转变换会导致输出转矩发生变化，因此提出了一种增加q轴电流补偿的改进弱磁控制策略，通过引入q轴电流补偿分量来抵消转矩波动，从而改善电流轨迹并提升转矩输出的稳定性。其次，针对负载突变工况，分析了电压饱和现象的产生机理，提出了一种优先供给d轴电压的抗电压饱和策略，通过动态调整电压分配优先级，确保d轴电压供给充足，从而避免电压饱和导致的电流失控现象，进一步增强了系统的稳定性和可靠性。【结果】为验证所提策略的有效性，搭建了IPMSM试验平台进行对比测试。试验结果表明，采用改进的弱磁控制策略后，IPMSM在弱磁区的电流轨迹得到了显著改善，输出转矩稳定性得以提升，系统的动态响应性能也得以提升。抗电压饱和策略有效避免了因电压饱和而导致的电流失控现象，保证了系统的稳定运行。【结论】本文提出的改进弱磁控制策略通过增加q轴电流补偿和优先供给d轴电压，有效解决了传统弱磁控制策略在高速运行时的电流轨迹偏离和电压饱和问题。试验结果表明，本文所提方法能够显著改善IPMSM在弱磁工况下的电流轨迹特性，提升系统的动态响应性能，增强系统的抗干扰能力，为IPMSM在电动汽车、高速机床等领域的应用提供了可靠的技术支持。
【目的】为提升内置式永磁同步电机(IPMSM)在弱磁工况下的动态响应性能和稳定性，解决传统弱磁控制策略在高速运行时存在的电流轨迹偏离以及电压饱和问题，提出了一种改进的IPMSM弱磁控制策略。【方法】首先，基于IPMSM数学模型分析了传统负d轴电流补偿策略的电流轨迹，发现电流矢量旋转变换会导致输出转矩发生变化，因此提出了一种增加q轴电流补偿的改进弱磁控制策略，通过引入q轴电流补偿分量来抵消转矩波动，从而改善电流轨迹并提升转矩输出的稳定性。其次，针对负载突变工况，分析了电压饱和现象的产生机理，提出了一种优先供给d轴电压的抗电压饱和策略，通过动态调整电压分配优先级，确保d轴电压供给充足，从而避免电压饱和导致的电流失控现象，进一步增强了系统的稳定性和可靠性。【结果】为验证所提策略的有效性，搭建了IPMSM试验平台进行对比测试。试验结果表明，采用改进的弱磁控制策略后，IPMSM在弱磁区的电流轨迹得到了显著改善，输出转矩稳定性得以提升，系统的动态响应性能也得以提升。抗电压饱和策略有效避免了因电压饱和而导致的电流失控现象，保证了系统的稳定运行。【结论】本文提出的改进弱磁控制策略通过增加q轴电流补偿和优先供给d轴电压，有效解决了传统弱磁控制策略在高速运行时的电流轨迹偏离和电压饱和问题。试验结果表明，本文所提方法能够显著改善IPMSM在弱磁工况下的电流轨迹特性，提升系统的动态响应性能，增强系统的抗干扰能力，为IPMSM在电动汽车、高速机床等领域的应用提供了可靠的技术支持。
2025, 52(3):241-250.
DOI: 10.12177/emca.2024.170
摘要:
【目的】氢储能具有高能量密度和大功率的特点。一体化可再生燃料电池(URFC)是一种集成化程度较高的储氢系统，但在分布式直流微电网中的应用报道较少。URFC与电能存储相结合，在孤岛微电网应用中具有很大的潜力。经济调度是孤岛微电网中的一个关键问题，微电网由不同发电单元组成，而这些单元的发电成本和输出功率各不相同，如何协调各单元的出力以实现整体的最经济运行是一个复杂的优化问题。【方法】本文提出了一种改进的分布式经济控制策略，该策略基于增量成本(IC)共识分布式算法，即当所有发电单元的IC相等时，才能获得整个系统的最低成本。此外，本文还设计了一个节点用于实现高质量的电压恢复。考虑到各发电单元的功率限制，在算法中加入了相应的约束条件，确保调度结果的可行性。最后基于Matlab/Simulink进行仿真，对比分析了不同工况下系统的动态响应性能、经济性能和稳定性。【结果】仿真结果表明，所提控制策略能够有效实现电压恢复，显著提升光储氢孤岛直流微电网的可靠性和电能质量。在各种扰动和负荷变化情况下，系统均能快速恢复到稳定状态。与传统方法相比，该策略在经济性和动态性能方面都有明显优势。【结论】本文提出的分布式经济控制策略具有良好的灵活性和适应性。在实际应用中，负责电压恢复的节点可以根据功率约束情况动态切换到其他电源单元，保证系统的持续稳定运行；同时，不再参与调度的节点可以从通信网络中断开，减少通信负担。这种设计使得系统具有更强的容错能力和可扩展性。
【目的】氢储能具有高能量密度和大功率的特点。一体化可再生燃料电池(URFC)是一种集成化程度较高的储氢系统，但在分布式直流微电网中的应用报道较少。URFC与电能存储相结合，在孤岛微电网应用中具有很大的潜力。经济调度是孤岛微电网中的一个关键问题，微电网由不同发电单元组成，而这些单元的发电成本和输出功率各不相同，如何协调各单元的出力以实现整体的最经济运行是一个复杂的优化问题。【方法】本文提出了一种改进的分布式经济控制策略，该策略基于增量成本(IC)共识分布式算法，即当所有发电单元的IC相等时，才能获得整个系统的最低成本。此外，本文还设计了一个节点用于实现高质量的电压恢复。考虑到各发电单元的功率限制，在算法中加入了相应的约束条件，确保调度结果的可行性。最后基于Matlab/Simulink进行仿真，对比分析了不同工况下系统的动态响应性能、经济性能和稳定性。【结果】仿真结果表明，所提控制策略能够有效实现电压恢复，显著提升光储氢孤岛直流微电网的可靠性和电能质量。在各种扰动和负荷变化情况下，系统均能快速恢复到稳定状态。与传统方法相比，该策略在经济性和动态性能方面都有明显优势。【结论】本文提出的分布式经济控制策略具有良好的灵活性和适应性。在实际应用中，负责电压恢复的节点可以根据功率约束情况动态切换到其他电源单元，保证系统的持续稳定运行；同时，不再参与调度的节点可以从通信网络中断开，减少通信负担。这种设计使得系统具有更强的容错能力和可扩展性。
2025, 52(3):251-261.
DOI: 10.12177/emca.2025.009
摘要:
【目的】无刷交流励磁机作为同步发电机励磁系统的核心部件，其等效电路建模的准确性直接决定输出性能分析的可靠性。传统等效电路模型在参数等效过程中，通常忽略交流励磁机的凸极效应，导致换相电抗参数的理论计算值与实际工况存在系统性偏差。这种偏差会进一步影响对交流电压畸变率、直流电压脉动等关键性能指标的评估精度。为解决此问题，本文提出了一种改进的等效电路建模方法，重点考虑了凸极效应对换相电抗的影响。【方法】首先，基于交流励磁机的磁链方程和电压方程，推导了无刷交流励磁机的等效电路模型；其次，结合三相桥式整流电路的工作模态，以半个周期为例，分析了无刷交流励磁机的工作过程，探讨了换相电抗对交流电压畸变率和直流电压脉动的影响规律；最后，研究了不同凸极效应强度下换相电抗的求解方法，并重新构建了考虑凸极效应的换相电抗计算模型。【结果】为验证模型的有效性，采用有限元法建立二维瞬态场-路耦合仿真模型。仿真结果表明:换相电抗的增大会导致交流电压畸变率和直流电压脉动的显著增加；考虑凸极效应的等效电路模型在换相电抗参数计算精度上具有明显优势，误差显著降低。【结论】本文提出的等效电路建模方法不仅为无刷交流励磁机的换相特性分析提供了高精度工具，还可拓展至永磁同步电机、电励磁双馈电机等含整流电路的发电机系统。对复杂电磁装置的动态性能预测与多物理场协同优化具有重要指导意义。
【目的】无刷交流励磁机作为同步发电机励磁系统的核心部件，其等效电路建模的准确性直接决定输出性能分析的可靠性。传统等效电路模型在参数等效过程中，通常忽略交流励磁机的凸极效应，导致换相电抗参数的理论计算值与实际工况存在系统性偏差。这种偏差会进一步影响对交流电压畸变率、直流电压脉动等关键性能指标的评估精度。为解决此问题，本文提出了一种改进的等效电路建模方法，重点考虑了凸极效应对换相电抗的影响。【方法】首先，基于交流励磁机的磁链方程和电压方程，推导了无刷交流励磁机的等效电路模型；其次，结合三相桥式整流电路的工作模态，以半个周期为例，分析了无刷交流励磁机的工作过程，探讨了换相电抗对交流电压畸变率和直流电压脉动的影响规律；最后，研究了不同凸极效应强度下换相电抗的求解方法，并重新构建了考虑凸极效应的换相电抗计算模型。【结果】为验证模型的有效性，采用有限元法建立二维瞬态场-路耦合仿真模型。仿真结果表明:换相电抗的增大会导致交流电压畸变率和直流电压脉动的显著增加；考虑凸极效应的等效电路模型在换相电抗参数计算精度上具有明显优势，误差显著降低。【结论】本文提出的等效电路建模方法不仅为无刷交流励磁机的换相特性分析提供了高精度工具，还可拓展至永磁同步电机、电励磁双馈电机等含整流电路的发电机系统。对复杂电磁装置的动态性能预测与多物理场协同优化具有重要指导意义。
2025, 52(3):262-271.
DOI: 10.12177/emca.2024.171
摘要:
【目的】永磁同步电机(PMSM)被广泛应用于伺服系统、电动汽车等领域，这些领域对电机控制的精度、响应速度和抗干扰能力要求较高。PMSM速度控制多采用比例积分微分(PID)控制，然而，传统PID控制器的线性结构在面对复杂的非线性系统时，难以提供PMSM所需的精确跟踪性能和抗干扰能力。针对此问题，本文提出了一种基于改进黑翅鸢算法(IBKA)的自抗扰控制(ADRC)策略。【方法】首先，在d-q坐标系下对PMSM进行建模和分析，并对PMSM速度控制器进行设计，采用非线性ADRC对PMSM的速度环进行控制，以增强系统对模型不确定性和外部扰动的鲁棒性。ADRC的核心优势在于其能够通过扩张状态观测器实时估计并补偿系统的总扰动，包括未建模动态和外部干扰，从而实现对系统状态的精确控制。然后，针对传统ADRC依赖经验进行参数整定的问题，提出了一种融合Tent混沌映射和高斯变异机制的IBKA，通过该算法实现ADRC参数的实时在线整定。最后，基于Matlab/Simulink进行仿真，验证本文所提基于IBKA优化的ADRC策略的有效性。【结果】仿真结果表明，相较于传统的比例积分(PI)控制和标准ADRC，基于IBKA优化的ADRC能够使PMSM表现出良好的动、静态性能，具有更快的响应速度、更好的跟踪精度、更强的抗干扰能力和更优的转矩控制能力。仿真结果不仅验证了IBKA在ADRC参数优化方面的有效性，还展示了ADRC在提高PMSM控制性能方面的潜力。【结论】本文提出的控制策略为PMSM在高精度、高动态和高抗干扰中的应用提供了一种有效的解决方案，具有一定的理论意义和应用价值。
【目的】永磁同步电机(PMSM)被广泛应用于伺服系统、电动汽车等领域，这些领域对电机控制的精度、响应速度和抗干扰能力要求较高。PMSM速度控制多采用比例积分微分(PID)控制，然而，传统PID控制器的线性结构在面对复杂的非线性系统时，难以提供PMSM所需的精确跟踪性能和抗干扰能力。针对此问题，本文提出了一种基于改进黑翅鸢算法(IBKA)的自抗扰控制(ADRC)策略。【方法】首先，在d-q坐标系下对PMSM进行建模和分析，并对PMSM速度控制器进行设计，采用非线性ADRC对PMSM的速度环进行控制，以增强系统对模型不确定性和外部扰动的鲁棒性。ADRC的核心优势在于其能够通过扩张状态观测器实时估计并补偿系统的总扰动，包括未建模动态和外部干扰，从而实现对系统状态的精确控制。然后，针对传统ADRC依赖经验进行参数整定的问题，提出了一种融合Tent混沌映射和高斯变异机制的IBKA，通过该算法实现ADRC参数的实时在线整定。最后，基于Matlab/Simulink进行仿真，验证本文所提基于IBKA优化的ADRC策略的有效性。【结果】仿真结果表明，相较于传统的比例积分(PI)控制和标准ADRC，基于IBKA优化的ADRC能够使PMSM表现出良好的动、静态性能，具有更快的响应速度、更好的跟踪精度、更强的抗干扰能力和更优的转矩控制能力。仿真结果不仅验证了IBKA在ADRC参数优化方面的有效性，还展示了ADRC在提高PMSM控制性能方面的潜力。【结论】本文提出的控制策略为PMSM在高精度、高动态和高抗干扰中的应用提供了一种有效的解决方案，具有一定的理论意义和应用价值。
2025, 52(3):272-283.
DOI: 10.12177/emca.2025.001
摘要:
【目的】高压隔离开关在户外运行时工作环境恶劣，易受到外力、自然老化和高温潮湿等因素的影响而发生一系列故障，影响电网的健康正常运行。针对隔离开关的机械故障诊断，本文提出了一种基于牛顿拉夫逊优化算法(NRBO)优化特征模态分解(FMD)和支持向量机(SVM)的隔离开关故障诊断方法。【方法】首先，利用NRBO优化FMD的三个参数，得到最优的参数组合，用基于NRBO优化的FMD(NRFMD)对试验采集到的隔离开关振动信号进行分解处理，得到最优本征模态分量；其次，使用精细复合多尺度波动散布熵(RCMFDE)对本征模态分量进行特征提取，得到一个高维的特征矩阵；最后，通过核主成分分析对高维特征矩阵进行降维处理，并输入基于NRBO优化的SVM(NRSVM)模型对隔离开关的故障进行诊断。【结果】对于某220 kV隔离开关进行故障模拟试验，采集四种工况下的隔离开关振动信号，将本文所提故障诊断方法与其他常用诊断方法进行对比。试验结果表明，在不同的机械故障情况下，本文方法对隔离开关的故障分类精度可达到98.33%，具有较高的识别精度，识别准确率高于其他常用算法。【结论】本文使用的NRFMD可以忽略机械信号的周期性和脉冲性，具有较好的鲁棒性;RCMFDE可以更好地提取模态分量的特征。综上所述，本文提出的NRFMD-RCMFDE-NRSVM算法对隔离开关故障诊断具有良好的适用性，为后续针对隔离开关故障的研究提供新的思路。
【目的】高压隔离开关在户外运行时工作环境恶劣，易受到外力、自然老化和高温潮湿等因素的影响而发生一系列故障，影响电网的健康正常运行。针对隔离开关的机械故障诊断，本文提出了一种基于牛顿拉夫逊优化算法(NRBO)优化特征模态分解(FMD)和支持向量机(SVM)的隔离开关故障诊断方法。【方法】首先，利用NRBO优化FMD的三个参数，得到最优的参数组合，用基于NRBO优化的FMD(NRFMD)对试验采集到的隔离开关振动信号进行分解处理，得到最优本征模态分量；其次，使用精细复合多尺度波动散布熵(RCMFDE)对本征模态分量进行特征提取，得到一个高维的特征矩阵；最后，通过核主成分分析对高维特征矩阵进行降维处理，并输入基于NRBO优化的SVM(NRSVM)模型对隔离开关的故障进行诊断。【结果】对于某220 kV隔离开关进行故障模拟试验，采集四种工况下的隔离开关振动信号，将本文所提故障诊断方法与其他常用诊断方法进行对比。试验结果表明，在不同的机械故障情况下，本文方法对隔离开关的故障分类精度可达到98.33%，具有较高的识别精度，识别准确率高于其他常用算法。【结论】本文使用的NRFMD可以忽略机械信号的周期性和脉冲性，具有较好的鲁棒性;RCMFDE可以更好地提取模态分量的特征。综上所述，本文提出的NRFMD-RCMFDE-NRSVM算法对隔离开关故障诊断具有良好的适用性，为后续针对隔离开关故障的研究提供新的思路。
2025, 52(3):284-293.
DOI: 10.12177/emca.2025.006
摘要:
【目的】为评估自动引导车(AGV)驱动电机的健康状态、预测故障概率，改进AGV的保养维护和工作策略，本文结合AGV驱动电机的历史状态数据和预定义的工作负荷，提出了一种AGV驱动电机的故障预测与健康管理(PHM)模型。【方法】首先，采集AGV驱动电机的负载电流、振动信号以及温度数据，并对采集的数据进行去噪和归一化处理，以提高模型的收敛速度和泛化能力。然后，采用自回归模型和卷积神经网络模型对AGV驱动电机的负载电流、振动信号及温度数据的变化趋势进行预测，并将采集的数据和预测的数据转化为对称点图案(SDP)。最后，基于YOLOv11网络对生成的SDP进行分类，从而确定AGV驱动电机的健康等级。根据电机温升将健康等级分为不健康、亚健康和健康三类，基于电机的负载电流、振动信号采用本文所提模型检测驱动电机健康状态并估计驱动电机属于某类健康等级的概率，基于健康状态的测定可以得到AGV驱动电机的故障概率。【结果】对本文模型在验证集和测试集上进行验证测试以评估模型性能。结果表明AGV驱动电机的3类健康状态的平均诊断准确率为99.7%，其中健康和不健康两类的诊断准确率达到了100%。为进一步验证本文模型的优越性，与其他两种模型进行对比，结果表明本文模型的诊断准确度高于其他模型，具有较高的可信度。【结论】本文提出的PHM模型对故障概率预测和健康状态评估的准确度较高，将AGV工作负荷信息整合到PHM模型中，可为AGV的工作任务制定和保养维护提供数据参考。
【目的】为评估自动引导车(AGV)驱动电机的健康状态、预测故障概率，改进AGV的保养维护和工作策略，本文结合AGV驱动电机的历史状态数据和预定义的工作负荷，提出了一种AGV驱动电机的故障预测与健康管理(PHM)模型。【方法】首先，采集AGV驱动电机的负载电流、振动信号以及温度数据，并对采集的数据进行去噪和归一化处理，以提高模型的收敛速度和泛化能力。然后，采用自回归模型和卷积神经网络模型对AGV驱动电机的负载电流、振动信号及温度数据的变化趋势进行预测，并将采集的数据和预测的数据转化为对称点图案(SDP)。最后，基于YOLOv11网络对生成的SDP进行分类，从而确定AGV驱动电机的健康等级。根据电机温升将健康等级分为不健康、亚健康和健康三类，基于电机的负载电流、振动信号采用本文所提模型检测驱动电机健康状态并估计驱动电机属于某类健康等级的概率，基于健康状态的测定可以得到AGV驱动电机的故障概率。【结果】对本文模型在验证集和测试集上进行验证测试以评估模型性能。结果表明AGV驱动电机的3类健康状态的平均诊断准确率为99.7%，其中健康和不健康两类的诊断准确率达到了100%。为进一步验证本文模型的优越性，与其他两种模型进行对比，结果表明本文模型的诊断准确度高于其他模型，具有较高的可信度。【结论】本文提出的PHM模型对故障概率预测和健康状态评估的准确度较高，将AGV工作负荷信息整合到PHM模型中，可为AGV的工作任务制定和保养维护提供数据参考。
2025, 52(3):294-304.
DOI: 10.12177/emca.2025.005
摘要:
【目的】牵引整流器与牵引逆变器是列车牵引变流器的重要组成部分，牵引整流器主要由绝缘栅双极晶体管(IGBT)、谐振电路以及直流侧电容等部件组成，其故障频率高于牵引逆变器，且IGBT发生开路故障时不会引发大幅过电流或过电压等明显现象，诊断和保护相对较难。为此，本文提出了一种基于混合逻辑动态(MLD)模型与自适应阈值的牵引整流器IGBT开路故障诊断算法。【方法】首先，在阐述牵引整流器工作原理的基础上，建立了牵引整流器的MLD模型并估计网侧电流。然后，对单管IGBT开路故障时网侧电流实际值与估计值之间的残差进行了分析。最后，设计自适应阈值进行故障诊断，并依据自适应阈值的变化区分IGBT发生开路故障的位置，进而提出基于MLD模型与自适应阈值的牵引整流器IGBT开路故障诊断算法，实现IGBT的开路故障诊断与定位。【结果】基于Matlab/Simulink平台建立MLD模型并引入自适应阈值对所提算法的有效性进行仿真验证。仿真结果表明该故障诊断方法能够在几百微秒内检测到IGBT发生开路故障，并能够准确定位到开路IGBT，且存在外界干扰时，不会产生误诊断。【结论】基于MLD模型与自适应阈值的IGBT开路故障诊断算法能够快速检测并定位到故障IGBT。与传统MLD故障诊断算法相比，所提算法能够有效解决不同IGBT开路时的阈值选择问题，且故障诊断精度高，对外界干扰具有很强的鲁棒性。
【目的】牵引整流器与牵引逆变器是列车牵引变流器的重要组成部分，牵引整流器主要由绝缘栅双极晶体管(IGBT)、谐振电路以及直流侧电容等部件组成，其故障频率高于牵引逆变器，且IGBT发生开路故障时不会引发大幅过电流或过电压等明显现象，诊断和保护相对较难。为此，本文提出了一种基于混合逻辑动态(MLD)模型与自适应阈值的牵引整流器IGBT开路故障诊断算法。【方法】首先，在阐述牵引整流器工作原理的基础上，建立了牵引整流器的MLD模型并估计网侧电流。然后，对单管IGBT开路故障时网侧电流实际值与估计值之间的残差进行了分析。最后，设计自适应阈值进行故障诊断，并依据自适应阈值的变化区分IGBT发生开路故障的位置，进而提出基于MLD模型与自适应阈值的牵引整流器IGBT开路故障诊断算法，实现IGBT的开路故障诊断与定位。【结果】基于Matlab/Simulink平台建立MLD模型并引入自适应阈值对所提算法的有效性进行仿真验证。仿真结果表明该故障诊断方法能够在几百微秒内检测到IGBT发生开路故障，并能够准确定位到开路IGBT，且存在外界干扰时，不会产生误诊断。【结论】基于MLD模型与自适应阈值的IGBT开路故障诊断算法能够快速检测并定位到故障IGBT。与传统MLD故障诊断算法相比，所提算法能够有效解决不同IGBT开路时的阈值选择问题，且故障诊断精度高，对外界干扰具有很强的鲁棒性。
2025, 52(3):305-314.
DOI: 10.12177/emca.2024.173
摘要:
【目的】分数槽集中绕组(FSCW)感应电机在运行过程中会出现转子偏心问题，产生非主导极的气隙磁密，导致径向电磁力密度发生变化，进而产生使电机遭到损坏的不平衡磁拉力(UMP)。针对此问题，本文以一台定子15槽转子18槽且定转子均为FSCW的感应电机为研究对象，对电机的气隙磁密、径向电磁力密度和UMP进行了研究。【方法】首先，介绍了转子偏心产生的原因和带来的影响，并运用磁势-磁导法推导出了气隙磁密的表达式，分析了理想状态下和静偏心故障下气隙磁密的谐波组成；其次，通过Maxwell方程得到了径向电磁力密度和UMP的表达式；然后，利用Ansys-Maxwell对FSCW感应电机进行二维有限元建模分析；最后，采用定子闭槽的方法来优化气隙磁密，进而抑制UMP。【结果】电机转子偏心不但引入了电机在理想状态下运行时所没有的3的倍数次谐波，还改变了主波幅值，但谐波的频率不发生变化；电机发生静偏心故障时组成径向电磁力密度的谐波次数为在理想状态下运行时的谐波次数±1，且径向电磁力密度的幅值远大于理想状态；径向电磁力密度和UMP会随着偏心距离的增大而增大；相较于定子开槽，定子闭槽时电机的气隙磁密平均值减小，定子齿谐波含量大幅减小，UMP平均值下降了21.83%。【结论】转子偏心是产生UMP的主要原因。采用定子闭槽法，电机的气隙磁密得到优化，定子齿谐波含量减小从而使径向电磁力密度降低，最终电机的UMP也得到降低
【目的】分数槽集中绕组(FSCW)感应电机在运行过程中会出现转子偏心问题，产生非主导极的气隙磁密，导致径向电磁力密度发生变化，进而产生使电机遭到损坏的不平衡磁拉力(UMP)。针对此问题，本文以一台定子15槽转子18槽且定转子均为FSCW的感应电机为研究对象，对电机的气隙磁密、径向电磁力密度和UMP进行了研究。【方法】首先，介绍了转子偏心产生的原因和带来的影响，并运用磁势-磁导法推导出了气隙磁密的表达式，分析了理想状态下和静偏心故障下气隙磁密的谐波组成；其次，通过Maxwell方程得到了径向电磁力密度和UMP的表达式；然后，利用Ansys-Maxwell对FSCW感应电机进行二维有限元建模分析；最后，采用定子闭槽的方法来优化气隙磁密，进而抑制UMP。【结果】电机转子偏心不但引入了电机在理想状态下运行时所没有的3的倍数次谐波，还改变了主波幅值，但谐波的频率不发生变化；电机发生静偏心故障时组成径向电磁力密度的谐波次数为在理想状态下运行时的谐波次数±1，且径向电磁力密度的幅值远大于理想状态；径向电磁力密度和UMP会随着偏心距离的增大而增大；相较于定子开槽，定子闭槽时电机的气隙磁密平均值减小，定子齿谐波含量大幅减小，UMP平均值下降了21.83%。【结论】转子偏心是产生UMP的主要原因。采用定子闭槽法，电机的气隙磁密得到优化，定子齿谐波含量减小从而使径向电磁力密度降低，最终电机的UMP也得到降低
2025, 52(3):315-327.
DOI: 10.12177/emca.2025.002
摘要:
【目的】本文研究了基于非支配排序遗传算法II(NSGA-II)的统一电能质量调节器(UPQC)多目标比例积分(PI)控制器参数优化问题。UPQC作为一种重要的电力质量改善装置，能够有效抑制电网电压波动、谐波及不平衡等问题，但其性能依赖于控制器参数的合理配置。针对传统优化方法难以满足系统的多目标性能需求，且容易陷入局部最优的问题，本文提出了一种基于NSGA-II的多目标优化策略，旨在寻求一种能够同时优化谐波抑制、电压稳定性和动态响应速度的控制器参数配置方案。【方法】本文采用NSGA-II进行多目标优化，该算法通过快速非支配排序和拥挤度计算来实现多目标函数的全局优化。NSGA-II具有良好的全局搜索能力和快速收敛特性，因此优化UPQC控制器的参数时，能够快速而准确地找到最优解。在优化过程中，以谐波抑制、电压稳定性和动态响应速度作为主要优化目标，通过精确调整PI控制器参数，求得最优的控制策略。【结果】通过电网电压补偿仿真和直流、交流侧电压仿真来验证本文所提策略的有效性和准确性。在电网电压补偿仿真中，将本文策略与非线性比例积分-模型预测控制(PI-MPC)策略进行对比，本文所提策略实际补偿电压波形更趋于正弦曲线，且波形较为光滑平顺，谐波含量比非线性PI-MPC策略更小。在直流、交流侧电压仿真中，本文策略比其他策略的调节时间更短且超调量更低，在系统发生扰动时恢复时间更短，具有更强的鲁棒性。【结论】基于NSGA-II的PI控制器参数优化策略能够有效提升UPQC在复杂工况下的性能表现，提高系统的电能质量和响应效率。与传统方法相比，该优化策略不仅提升了电力质量，而且在动态响应过程中表现出更优的稳定性和更快速的调节能力。
【目的】本文研究了基于非支配排序遗传算法II(NSGA-II)的统一电能质量调节器(UPQC)多目标比例积分(PI)控制器参数优化问题。UPQC作为一种重要的电力质量改善装置，能够有效抑制电网电压波动、谐波及不平衡等问题，但其性能依赖于控制器参数的合理配置。针对传统优化方法难以满足系统的多目标性能需求，且容易陷入局部最优的问题，本文提出了一种基于NSGA-II的多目标优化策略，旨在寻求一种能够同时优化谐波抑制、电压稳定性和动态响应速度的控制器参数配置方案。【方法】本文采用NSGA-II进行多目标优化，该算法通过快速非支配排序和拥挤度计算来实现多目标函数的全局优化。NSGA-II具有良好的全局搜索能力和快速收敛特性，因此优化UPQC控制器的参数时，能够快速而准确地找到最优解。在优化过程中，以谐波抑制、电压稳定性和动态响应速度作为主要优化目标，通过精确调整PI控制器参数，求得最优的控制策略。【结果】通过电网电压补偿仿真和直流、交流侧电压仿真来验证本文所提策略的有效性和准确性。在电网电压补偿仿真中，将本文策略与非线性比例积分-模型预测控制(PI-MPC)策略进行对比，本文所提策略实际补偿电压波形更趋于正弦曲线，且波形较为光滑平顺，谐波含量比非线性PI-MPC策略更小。在直流、交流侧电压仿真中，本文策略比其他策略的调节时间更短且超调量更低，在系统发生扰动时恢复时间更短，具有更强的鲁棒性。【结论】基于NSGA-II的PI控制器参数优化策略能够有效提升UPQC在复杂工况下的性能表现，提高系统的电能质量和响应效率。与传统方法相比，该优化策略不仅提升了电力质量，而且在动态响应过程中表现出更优的稳定性和更快速的调节能力。
2025, 52(3):328-340.
DOI: 10.12177/emca.2025.003
摘要:
【目的】本文针对分数槽集中绕组(FSCW)双转子同步电机的非主导极次谐波含量高、转矩脉动较大的问题，提出了通过在原绕组上设置补偿绕组来优化双极对数耦合的磁场结构，抑制非主导极次谐波，增大主导极次谐波的含量，从而降低由磁场不均匀引起的转矩脉动。【方法】本文首先分析了FSCW的基本理论，介绍了双转子同步电机的结构特点及其耦合原理，采用代数法和相量合成法分析了不同槽极配合下的FSCW谐波磁动势的分布规律，并推导了分布系数。然后，根据主导极次谐波和含量较高的非主导极次谐波的分布情况、合成磁动势的峰谷规律设计了特定次谐波的直接补偿方法，并利用虚位移法推导了电磁转矩表达式。最后，通过有限元仿真和虚位移法理论计算对谐波补偿前后的气隙磁密、转矩脉动变化进行分析。【结果】有限元仿真结果和虚位移法理论计算结果吻合度较高，表明虚位移法用于转矩计算具有较高的正确性；添加补偿绕组后的电磁转矩波形的正弦度更好，两个转子的转矩脉动明显降低，添加1对极补偿绕组后，1号转子和2号转子的转矩脉动分别减小了30.11%和41.1%。【结论】本文方法可以有效抑制含量较高的非主导极次谐波，优化转矩波形，降低转矩脉动，从而提高电机的工作效率。
【目的】本文针对分数槽集中绕组(FSCW)双转子同步电机的非主导极次谐波含量高、转矩脉动较大的问题，提出了通过在原绕组上设置补偿绕组来优化双极对数耦合的磁场结构，抑制非主导极次谐波，增大主导极次谐波的含量，从而降低由磁场不均匀引起的转矩脉动。【方法】本文首先分析了FSCW的基本理论，介绍了双转子同步电机的结构特点及其耦合原理，采用代数法和相量合成法分析了不同槽极配合下的FSCW谐波磁动势的分布规律，并推导了分布系数。然后，根据主导极次谐波和含量较高的非主导极次谐波的分布情况、合成磁动势的峰谷规律设计了特定次谐波的直接补偿方法，并利用虚位移法推导了电磁转矩表达式。最后，通过有限元仿真和虚位移法理论计算对谐波补偿前后的气隙磁密、转矩脉动变化进行分析。【结果】有限元仿真结果和虚位移法理论计算结果吻合度较高，表明虚位移法用于转矩计算具有较高的正确性；添加补偿绕组后的电磁转矩波形的正弦度更好，两个转子的转矩脉动明显降低，添加1对极补偿绕组后，1号转子和2号转子的转矩脉动分别减小了30.11%和41.1%。【结论】本文方法可以有效抑制含量较高的非主导极次谐波，优化转矩波形，降低转矩脉动，从而提高电机的工作效率。
《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
- 地址：上海市武宁路505号
- 邮编：200063
- 电话：021-62574990-574/462（编辑部），021-62574990-416（广告部）
- 电子邮箱：eec@seari.com.cn （编辑部），wangzm@seari.com.cn（广告部）
- 网址：http://www.motor-abc.cn/djykzyy/home
- 邮发代号：4-199
- 国内定价：15元/册
- 影响因子：0.752
