2025年第52卷第8期文章目次
2025, 52(8):823-834.
DOI: doi:10.12177/emca.2025.070
摘要:
【目的】为解决分布式智能配电网中因新能源出力随机性与负荷时变特性不匹配导致的弃能问题，本文提出了一种融合卷积神经网络(CNN)-双向门控循环单元(BiGRU)-多头注意力(MHA)机制的源荷功率超短期预测模型。【方法】首先，采用CNN提取风光功率的时空关联特征，通过BiGRU捕捉负荷序列的前后向时序依赖关系；其次，引入MHA机制动态加权关键时间步信息，采用牛顿-拉夫逊优化算法(NRBO)进行超参数自动调优，提升模型泛化能力；最后，给出了NRBO优化CNN-BiGRU-MHA模型的流程，实现了源荷功率超短期预测。【结果】案例仿真和比较结果表明，相较于CNN-BiGRU和BiGRU模型，所提CNN-BiGRU-MHA模型的相对误差分别降低了51.5%和74.1%；所提NRBO-CNN-BiGRU-MHA模型的预测准确率优于其他常用算法模型，其预测峰值的高度和趋势与实际值非常吻合，该模型擅于处理平缓特征，并且面对用电高峰与低谷工况的适应性和鲁棒性强。【结论】本文所提NRBO-CNN-BiGRU-MHA模型在不同天气条件下均表现出更稳定的预测性能，验证了其时空特征挖掘的有效性，为高比例新能源接入场景下的功率预测提供了新思路，对促进可再生能源消纳具有实用价值。
【目的】为解决分布式智能配电网中因新能源出力随机性与负荷时变特性不匹配导致的弃能问题，本文提出了一种融合卷积神经网络(CNN)-双向门控循环单元(BiGRU)-多头注意力(MHA)机制的源荷功率超短期预测模型。【方法】首先，采用CNN提取风光功率的时空关联特征，通过BiGRU捕捉负荷序列的前后向时序依赖关系；其次，引入MHA机制动态加权关键时间步信息，采用牛顿-拉夫逊优化算法(NRBO)进行超参数自动调优，提升模型泛化能力；最后，给出了NRBO优化CNN-BiGRU-MHA模型的流程，实现了源荷功率超短期预测。【结果】案例仿真和比较结果表明，相较于CNN-BiGRU和BiGRU模型，所提CNN-BiGRU-MHA模型的相对误差分别降低了51.5%和74.1%；所提NRBO-CNN-BiGRU-MHA模型的预测准确率优于其他常用算法模型，其预测峰值的高度和趋势与实际值非常吻合，该模型擅于处理平缓特征，并且面对用电高峰与低谷工况的适应性和鲁棒性强。【结论】本文所提NRBO-CNN-BiGRU-MHA模型在不同天气条件下均表现出更稳定的预测性能，验证了其时空特征挖掘的有效性，为高比例新能源接入场景下的功率预测提供了新思路，对促进可再生能源消纳具有实用价值。
2025, 52(8):835-843.
DOI: doi:10.12177/emca.2025.071
摘要:
【目的】次级分段式磁通切换永磁直线电机(FSPMLM)因其结构简单、效率高、功率密度大及制造成本低等特点，近年来在城市轨道交通牵引系统中展现出广阔的应用前景。为验证该类电机在真实供电环境下牵引控制策略的有效性，本文开展了系统性建模与性能评估研究。【方法】首先，结合城市轨道交通直流牵引系统的典型运行特性，构建了考虑动态电压波动的供电模型，以真实反映电机运行环境；其次，基于有限元分析结果，建立了次级分段式FSPMLM的d-q轴数学模型，并设计了磁场定向控制策略，以实现速度精确控制。最终，通过Matlab/Simulink仿真平台进行系统建模与验证，并基于小功率样机搭建试验平台，对关键性能指标进行实测比对。【结果】仿真与试验结果表明，该电机系统在给定速度突变情况下控制精度高、响应速度快、推力波动小及稳定性强，具有良好的动态性能与稳态运行特性。【结论】研究表明，在地铁实际供电电压等级条件下，次级分段式FSPMLM搭配矢量控制策略能够实现高效、稳定的速度控制，具备良好的工程实用性与推广前景，为城市轨道交通电气化牵引系统提供了高性价比的技术方案。
【目的】次级分段式磁通切换永磁直线电机(FSPMLM)因其结构简单、效率高、功率密度大及制造成本低等特点，近年来在城市轨道交通牵引系统中展现出广阔的应用前景。为验证该类电机在真实供电环境下牵引控制策略的有效性，本文开展了系统性建模与性能评估研究。【方法】首先，结合城市轨道交通直流牵引系统的典型运行特性，构建了考虑动态电压波动的供电模型，以真实反映电机运行环境；其次，基于有限元分析结果，建立了次级分段式FSPMLM的d-q轴数学模型，并设计了磁场定向控制策略，以实现速度精确控制。最终，通过Matlab/Simulink仿真平台进行系统建模与验证，并基于小功率样机搭建试验平台，对关键性能指标进行实测比对。【结果】仿真与试验结果表明，该电机系统在给定速度突变情况下控制精度高、响应速度快、推力波动小及稳定性强，具有良好的动态性能与稳态运行特性。【结论】研究表明，在地铁实际供电电压等级条件下，次级分段式FSPMLM搭配矢量控制策略能够实现高效、稳定的速度控制，具备良好的工程实用性与推广前景，为城市轨道交通电气化牵引系统提供了高性价比的技术方案。
2025, 52(8):844-856.
DOI: doi:10.12177/emca.2025.078
摘要:
【目的】针对柔性直流配电网故障现有方法准确度低且故障信号获取成本高的问题，本文提出一种基于Transformer算法和生成对抗网络(GAN)融合模型的故障精确检测方法。【方法】首先，将预处理后的直流配电网故障电压和电流信号经过自适应变分模态分解提取有效模态分量，并利用Transformer算法提取有效特征向量。然后，采用Transformer算法替代GAN模型生成器，据此建立TransGAN深度学习模型。最后，基于Matlab/Simulink建立仿真模型对所提方法的有效性和准确性进行验证。【结果】试验结果表明，该方法在提高故障检测准确度、降低误报率方面具有显著优势，相比于现有检测方法，具有更高故障的识别精度和更强的泛化能力。【结论】所提方法在实现更高检测准确度的同时，所需的数据集大小相比于其他方法更低，降低了数据获取成本和计算复杂度，提升了模型的实际应用价值和工程可行性。
【目的】针对柔性直流配电网故障现有方法准确度低且故障信号获取成本高的问题，本文提出一种基于Transformer算法和生成对抗网络(GAN)融合模型的故障精确检测方法。【方法】首先，将预处理后的直流配电网故障电压和电流信号经过自适应变分模态分解提取有效模态分量，并利用Transformer算法提取有效特征向量。然后，采用Transformer算法替代GAN模型生成器，据此建立TransGAN深度学习模型。最后，基于Matlab/Simulink建立仿真模型对所提方法的有效性和准确性进行验证。【结果】试验结果表明，该方法在提高故障检测准确度、降低误报率方面具有显著优势，相比于现有检测方法，具有更高故障的识别精度和更强的泛化能力。【结论】所提方法在实现更高检测准确度的同时，所需的数据集大小相比于其他方法更低，降低了数据获取成本和计算复杂度，提升了模型的实际应用价值和工程可行性。
2025, 52(8):857-868.
DOI: doi:10.12177/emca.2025.068
摘要:
【目的】世界上单机容量最大的1 750 MW核电机组采用的46相无刷励磁机与常见奇数相机型有较大区别。目前，对于超大容量、偶数相无刷励磁机的研究仍相对滞后，处于励磁系统保护中的薄弱环节，迫切需要对46相励磁机进行正常和故障等多种工况的运行机理进行分析，为后续故障保护提供依据。因此，本文提出一种基于偶数相环形无刷励磁机的电枢绕组并联等值模型的分析方法。【方法】首先对46相无刷励磁机电枢绕组的实际结构进行详细分析，进而得出二极管电流、电枢电流和励磁电流的理论波形。然后，根据电枢反应磁势得出正常运行、单管开路、一相开路和两相开路时定子励磁电流的谐波特性。最后，通过仿真与现场试验对比验证所提分析方法的性能。【结果】46相实际机组的真机试验和有限元仿真结果，验证了电枢绕组并联等值模型与多种工况下定子励磁电流谐波特性的正确性。【结论】本文揭示了偶数相环形无刷励磁系统的运行特性以及不同类型二极管开路的故障特征，为进一步研究大容量核电站多相无刷励磁系统的故障诊断提供了参考。
【目的】世界上单机容量最大的1 750 MW核电机组采用的46相无刷励磁机与常见奇数相机型有较大区别。目前，对于超大容量、偶数相无刷励磁机的研究仍相对滞后，处于励磁系统保护中的薄弱环节，迫切需要对46相励磁机进行正常和故障等多种工况的运行机理进行分析，为后续故障保护提供依据。因此，本文提出一种基于偶数相环形无刷励磁机的电枢绕组并联等值模型的分析方法。【方法】首先对46相无刷励磁机电枢绕组的实际结构进行详细分析，进而得出二极管电流、电枢电流和励磁电流的理论波形。然后，根据电枢反应磁势得出正常运行、单管开路、一相开路和两相开路时定子励磁电流的谐波特性。最后，通过仿真与现场试验对比验证所提分析方法的性能。【结果】46相实际机组的真机试验和有限元仿真结果，验证了电枢绕组并联等值模型与多种工况下定子励磁电流谐波特性的正确性。【结论】本文揭示了偶数相环形无刷励磁系统的运行特性以及不同类型二极管开路的故障特征，为进一步研究大容量核电站多相无刷励磁系统的故障诊断提供了参考。
2025, 52(8):869-878.
DOI: doi:10.12177/emca.2025.066
摘要:
【目的】针对平面变压器因扁平绕组结构加剧邻近效应与趋肤效应导致交流绕组损耗显著升高的问题，提出一种基于变宽度设计的绕组拓扑优化方法，以改善电流分布均匀性并降低损耗。【方法】建立绕组交流效应多物理场耦合模型，通过电磁场理论解析电流密度分布规律；针对圆形绕组提出梯度变宽度参数化模型，验证宽度变化对损耗的调控机制；结合圆形绕组优化经验，构建矩形绕组非线性变宽度设计准则，提出两种差异化宽度调整方案，并采用三维有限元仿真验证方案的电磁性能。【结果】试验数据显示优化后的矩形变宽度绕组在保持相同导电面积条件下，交流欧姆损耗下降7.789%，绕组区域最大磁感应强度降低3.766%，电流密度分布均匀性提升21.6%。优化变宽度绕组的漏感值比等宽度绕组平均高出49.1%，说明变宽度设计通过改变绕组宽度和匝长，间接地提高了漏感。【结论】将圆形绕组变宽度优化设计应用于矩形绕组，通过主动调控导体截面的电磁场边界条件，有效抑制了高频工况下的涡流集聚现象，该成果为平面变压器绕组的多目标协同优化提供了可量化的设计范式。
【目的】针对平面变压器因扁平绕组结构加剧邻近效应与趋肤效应导致交流绕组损耗显著升高的问题，提出一种基于变宽度设计的绕组拓扑优化方法，以改善电流分布均匀性并降低损耗。【方法】建立绕组交流效应多物理场耦合模型，通过电磁场理论解析电流密度分布规律；针对圆形绕组提出梯度变宽度参数化模型，验证宽度变化对损耗的调控机制；结合圆形绕组优化经验，构建矩形绕组非线性变宽度设计准则，提出两种差异化宽度调整方案，并采用三维有限元仿真验证方案的电磁性能。【结果】试验数据显示优化后的矩形变宽度绕组在保持相同导电面积条件下，交流欧姆损耗下降7.789%，绕组区域最大磁感应强度降低3.766%，电流密度分布均匀性提升21.6%。优化变宽度绕组的漏感值比等宽度绕组平均高出49.1%，说明变宽度设计通过改变绕组宽度和匝长，间接地提高了漏感。【结论】将圆形绕组变宽度优化设计应用于矩形绕组，通过主动调控导体截面的电磁场边界条件，有效抑制了高频工况下的涡流集聚现象，该成果为平面变压器绕组的多目标协同优化提供了可量化的设计范式。
2025, 52(8):879-887.
DOI: doi:10.12177/emca.2025.076
摘要:
【目的】永磁辅助同步磁阻电机(PMa-SynRM)因其优异的调速性能和成本优势在工业领域得到广泛应用，但转矩密度不足限制了其进一步发展。为提升电磁转矩，不对称转子PMa-SynRM成为研究热点。然而，现有研究尚未建立永磁转矩与磁阻转矩比例系数和电磁转矩提升能力之间的定量关系，且缺乏对磁极偏移角的系统分析，导致难以通过转矩分配关系和磁极偏移角度快速评估电机转矩性能。为此，本文系统研究转矩比例系数和磁极偏移角对电磁转矩的影响规律。【方法】基于上述规律，本文提出一种不对称转子PMa-SynRM，并采用有限元法计算其电磁性能。【结果】研究发现，随着转矩比例系数增大，电磁转矩提升幅度先增大后减小，在永磁转矩与磁阻转矩之比为2时，电磁转矩提升能力最强；随着偏移角度增大，电磁转矩提升能力逐渐增强。结果表明，所提电机电磁转矩提升7.82%，转矩脉动减小57.73%。【结论】本研究为不对称转子PMa-SynRM的转矩性能优化提供了重要理论依据。
【目的】永磁辅助同步磁阻电机(PMa-SynRM)因其优异的调速性能和成本优势在工业领域得到广泛应用，但转矩密度不足限制了其进一步发展。为提升电磁转矩，不对称转子PMa-SynRM成为研究热点。然而，现有研究尚未建立永磁转矩与磁阻转矩比例系数和电磁转矩提升能力之间的定量关系，且缺乏对磁极偏移角的系统分析，导致难以通过转矩分配关系和磁极偏移角度快速评估电机转矩性能。为此，本文系统研究转矩比例系数和磁极偏移角对电磁转矩的影响规律。【方法】基于上述规律，本文提出一种不对称转子PMa-SynRM，并采用有限元法计算其电磁性能。【结果】研究发现，随着转矩比例系数增大，电磁转矩提升幅度先增大后减小，在永磁转矩与磁阻转矩之比为2时，电磁转矩提升能力最强；随着偏移角度增大，电磁转矩提升能力逐渐增强。结果表明，所提电机电磁转矩提升7.82%，转矩脉动减小57.73%。【结论】本研究为不对称转子PMa-SynRM的转矩性能优化提供了重要理论依据。
2025, 52(8):888-897.
DOI: doi:10.12177/emca.2025.075
摘要:
【目的】在考虑用户满意度和追求经济运行的同时，提出了弹性微电网优化模型，以研究系统在极端条件下的弹性。考虑到柔性负荷对用户满意度的影响，在优化经济调度的同时提高用户的满意度。【方法】该模型涉及用户满意度和寻求微电网经济运行和恢复力，考虑到灾前预防和灾后恢复，提出一种混合鹈鹕算法，其中包含惯性权重、莱维飞行、衰减因子和t分布多种策略。将多种策略混合，逐步提高鹈鹕算法的求解精度。【结果】在低概率高损害场景的仿真试验中，改进算法相比蝴蝶优化算法、粒子群优化算法、灰狼优化算法、人工蜂群优化算法及原始算法分别节省了26.7%、27.0%、26.1%、21.8%和6.7%的系统运行成本，性能优势显著。【结论】该模型可以在一定程度上提高用户的满意度，证明了所提算法在解决微电网的最优经济运行和恢复能力问题方面具有更强的优越性
【目的】在考虑用户满意度和追求经济运行的同时，提出了弹性微电网优化模型，以研究系统在极端条件下的弹性。考虑到柔性负荷对用户满意度的影响，在优化经济调度的同时提高用户的满意度。【方法】该模型涉及用户满意度和寻求微电网经济运行和恢复力，考虑到灾前预防和灾后恢复，提出一种混合鹈鹕算法，其中包含惯性权重、莱维飞行、衰减因子和t分布多种策略。将多种策略混合，逐步提高鹈鹕算法的求解精度。【结果】在低概率高损害场景的仿真试验中，改进算法相比蝴蝶优化算法、粒子群优化算法、灰狼优化算法、人工蜂群优化算法及原始算法分别节省了26.7%、27.0%、26.1%、21.8%和6.7%的系统运行成本，性能优势显著。【结论】该模型可以在一定程度上提高用户的满意度，证明了所提算法在解决微电网的最优经济运行和恢复能力问题方面具有更强的优越性
2025, 52(8):898-905.
DOI: doi:10.12177/emca.2025.074
摘要:
【目的】本文针对高功率密度导致的电机温升过高问题，以高功率密度电动尾桨电机驱动系统为研究对象，系统开展了电机热特性和散热结构的性能优化研究。通过改进电机散热拓扑结构，旨在提升电机的散热效率，最终实现电机功率密度的提升。【方法】开展系统级散热翅片耦合一体化优化设计，通过对电机系统周围风场进行仿真计算，从而优化系统级散热翅片排布方式；设计9种不同散热拓扑结构并对散热效率进行仿真验证，得到最优的翅片拓扑结构。最后通过有限元法对流体场和温度场进行仿真计算，验证了研究工作的准确性。【结果】仿真结果表明，当电机与控制器壳体散热金属翅呈50%角度交错布置时，壳体周边风场产生紊流，增强散热效果；采用多层方孔型散热拓扑结构兼具生产加工可行性和高散热效率，与传统散热翅结构相比，其散热效率可提升9.3%。【结论】本文所提系统散热方案可显著提升电机散热效率，为后续航空电机散热结构设计积累了实践经验。
【目的】本文针对高功率密度导致的电机温升过高问题，以高功率密度电动尾桨电机驱动系统为研究对象，系统开展了电机热特性和散热结构的性能优化研究。通过改进电机散热拓扑结构，旨在提升电机的散热效率，最终实现电机功率密度的提升。【方法】开展系统级散热翅片耦合一体化优化设计，通过对电机系统周围风场进行仿真计算，从而优化系统级散热翅片排布方式；设计9种不同散热拓扑结构并对散热效率进行仿真验证，得到最优的翅片拓扑结构。最后通过有限元法对流体场和温度场进行仿真计算，验证了研究工作的准确性。【结果】仿真结果表明，当电机与控制器壳体散热金属翅呈50%角度交错布置时，壳体周边风场产生紊流，增强散热效果；采用多层方孔型散热拓扑结构兼具生产加工可行性和高散热效率，与传统散热翅结构相比，其散热效率可提升9.3%。【结论】本文所提系统散热方案可显著提升电机散热效率，为后续航空电机散热结构设计积累了实践经验。
2025, 52(8):906-916.
DOI: doi:10.12177/emca.2025.067
摘要:
【目的】柔性机械臂因低刚度特性易诱发残余振动，导致末端定位精度劣化；同时，负载扰动引发的动态波动与柔性轴形变产生的负载侧位置滞后，进一步制约高精度控制。传统输入整形技术虽可抑制振动，但其开环特性无法同步解决上述多源扰动问题。针对上述难题，本文提出一种零振动微分动态转矩反馈补偿负载位置滞后补偿(ZVD-DTFC-LPFC)复合控制策略。【方法】基于双惯量系统模型构建开-闭环协同架构，开环侧采用零振动微分(ZVD)输入整形抑制残余振动；闭环侧设计动态转矩反馈补偿(DTFC)，通过降维状态观测器实时估计轴转矩，形成位置-转速-转矩-电流四环串级控制抵抗负载扰动；进一步设计负载位置滞后补偿(LPFC)算法，动态计算负载位置偏差叠加至电机编码器信号，消除稳态滞后。【结果】仿真结果表明，ZVD-DTFC-LPFC的空载残余振动抑制率达98%；25%、50%、100%负载突变下的动态响应时间平均为0.11 s，较ZVD缩短了54%；带载稳态位置滞后角<0.005 rad，较未补偿前减少了97%。【结论】ZVD-DTFC-LPFC策略将开环抑振与闭环抗扰方法协同，实现振动-扰动-滞后多目标优化，为精密柔性机械臂提供了高鲁棒解决方案。
【目的】柔性机械臂因低刚度特性易诱发残余振动，导致末端定位精度劣化；同时，负载扰动引发的动态波动与柔性轴形变产生的负载侧位置滞后，进一步制约高精度控制。传统输入整形技术虽可抑制振动，但其开环特性无法同步解决上述多源扰动问题。针对上述难题，本文提出一种零振动微分动态转矩反馈补偿负载位置滞后补偿(ZVD-DTFC-LPFC)复合控制策略。【方法】基于双惯量系统模型构建开-闭环协同架构，开环侧采用零振动微分(ZVD)输入整形抑制残余振动；闭环侧设计动态转矩反馈补偿(DTFC)，通过降维状态观测器实时估计轴转矩，形成位置-转速-转矩-电流四环串级控制抵抗负载扰动；进一步设计负载位置滞后补偿(LPFC)算法，动态计算负载位置偏差叠加至电机编码器信号，消除稳态滞后。【结果】仿真结果表明，ZVD-DTFC-LPFC的空载残余振动抑制率达98%；25%、50%、100%负载突变下的动态响应时间平均为0.11 s，较ZVD缩短了54%；带载稳态位置滞后角<0.005 rad，较未补偿前减少了97%。【结论】ZVD-DTFC-LPFC策略将开环抑振与闭环抗扰方法协同，实现振动-扰动-滞后多目标优化，为精密柔性机械臂提供了高鲁棒解决方案。
2025, 52(8):917-923.
DOI: doi:10.12177/emca.2025.072
摘要:
【目的】永磁屏蔽电机(PMCM)凭借其独特的优势被广泛地应用于石油、化工以及核工业等领域。然而，PMCM在运行过程中，存在较大的屏蔽套损耗，导致其整体效率较低，这在很大程度上限制了其进一步的推广与应用，阻碍了相关产业的技术进步和设备升级。针对上述问题，本文提出了一种创新性的正弦气隙磁密设计方法。【方法】通过深入研究和理论分析，利用该方法对一台额定功率为 1.5 kW的PMCM的永磁体参数进行了细致且全面的优化设计，并确定了最优的永磁体尺寸参数。同时，本文还运用有限元法对优化前后的PMCM性能进行了系统而详细的比较分析。【结果】研究结果表明，该设计方法能够有效地降低气隙磁密中的谐波含量，极大地提升了电机的运行性能。优化后的电机损耗降低了30.44%，效率提高了8.87%；电机最高温度降低了8.36%。【结论】该研究为PMCM的广泛应用提供了理论支撑，将助力高效可靠电机设备的发展，创造显著的经济和社会效益。
【目的】永磁屏蔽电机(PMCM)凭借其独特的优势被广泛地应用于石油、化工以及核工业等领域。然而，PMCM在运行过程中，存在较大的屏蔽套损耗，导致其整体效率较低，这在很大程度上限制了其进一步的推广与应用，阻碍了相关产业的技术进步和设备升级。针对上述问题，本文提出了一种创新性的正弦气隙磁密设计方法。【方法】通过深入研究和理论分析，利用该方法对一台额定功率为 1.5 kW的PMCM的永磁体参数进行了细致且全面的优化设计，并确定了最优的永磁体尺寸参数。同时，本文还运用有限元法对优化前后的PMCM性能进行了系统而详细的比较分析。【结果】研究结果表明，该设计方法能够有效地降低气隙磁密中的谐波含量，极大地提升了电机的运行性能。优化后的电机损耗降低了30.44%，效率提高了8.87%；电机最高温度降低了8.36%。【结论】该研究为PMCM的广泛应用提供了理论支撑，将助力高效可靠电机设备的发展，创造显著的经济和社会效益。
《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
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- 邮发代号：4-199
- 国内定价：15元/册
- 影响因子：0.752
