2026年第53卷第6期文章目次
2026, 53(6):536-546.
DOI: 10.12177/emca.2026.168
摘要:
【目的】表贴式永磁同步电机(SPMSM)无差拍控制中,备选电压矢量数量与计算负担的矛盾制约了性能优化。本文旨在提出一种兼顾控制精度与实时性的解决方案。【方法】以SPMSM为例,提出:(1)电压矢量六边形内切圆n阶细分法,生成6n2+1个备选电压矢量;(2)简化确定方法一,固定遍历4次;(3)简化确定方法二,直接映射理想电压矢量,无需遍历。【结果】仿真与试验表明,8阶细分法(备选矢量385个)使转矩脉动降低12.87%,磁链脉动降低30.67%;简化确定方法一、简化确定方法二分别将计算耗时减少42.86%、87.94%。【结论】本文所提方法实现了备选矢量的任意扩充、计算量显著降低,为无差拍控制的性能与实时性优化提供了参考。
【目的】表贴式永磁同步电机(SPMSM)无差拍控制中,备选电压矢量数量与计算负担的矛盾制约了性能优化。本文旨在提出一种兼顾控制精度与实时性的解决方案。【方法】以SPMSM为例,提出:(1)电压矢量六边形内切圆n阶细分法,生成6n2+1个备选电压矢量;(2)简化确定方法一,固定遍历4次;(3)简化确定方法二,直接映射理想电压矢量,无需遍历。【结果】仿真与试验表明,8阶细分法(备选矢量385个)使转矩脉动降低12.87%,磁链脉动降低30.67%;简化确定方法一、简化确定方法二分别将计算耗时减少42.86%、87.94%。【结论】本文所提方法实现了备选矢量的任意扩充、计算量显著降低,为无差拍控制的性能与实时性优化提供了参考。
2026, 53(6):547-557.
DOI: 10.12177/emca.2026.177
摘要:
【目的】针对传统无位置传感器无刷直流电机(BLDCM)在中低速及换相区位置信息不准确、换相电流调控能力不足,导致转矩脉动明显和运行平稳性下降的问题,提出一种兼顾位置估计精度与换相区电流调节性能的协同控制方法。【方法】在双矢量场定向控制框架下,对位置观测与电流控制进行协同设计。构建基于双幂次分段光滑滑模观测器(DP-PS-SMO),通过不同幂次项兼顾大误差区快速收敛与小误差区高精度估计,并采用分段光滑函数提高反电动势与电角度估计的连续性。引入有限控制集模型预测电流控制(FCS-MPCC),利用估计电角度预测逆变器有限电压矢量作用下的电流响应,并通过代价函数实现最优电压矢量选择,以抑制换相不连续引起的转矩波动。最后,基于Matlab平台进行仿真验证。【结果】仿真结果表明,所提方法能够减小换相区电流波动并抑制换相误差引起的转矩脉动,与传统无位置传感器控制策略相比,四种工况下转矩脉动均得到明显抑制。【结论】DP-PS-SMO与FCS-MPCC的协同设计,可有效缓解无位置传感器BLDCM中低速及换相区转矩脉动问题,在不增加位置传感器的前提下提升系统运行平稳性与控制可靠性。
【目的】针对传统无位置传感器无刷直流电机(BLDCM)在中低速及换相区位置信息不准确、换相电流调控能力不足,导致转矩脉动明显和运行平稳性下降的问题,提出一种兼顾位置估计精度与换相区电流调节性能的协同控制方法。【方法】在双矢量场定向控制框架下,对位置观测与电流控制进行协同设计。构建基于双幂次分段光滑滑模观测器(DP-PS-SMO),通过不同幂次项兼顾大误差区快速收敛与小误差区高精度估计,并采用分段光滑函数提高反电动势与电角度估计的连续性。引入有限控制集模型预测电流控制(FCS-MPCC),利用估计电角度预测逆变器有限电压矢量作用下的电流响应,并通过代价函数实现最优电压矢量选择,以抑制换相不连续引起的转矩波动。最后,基于Matlab平台进行仿真验证。【结果】仿真结果表明,所提方法能够减小换相区电流波动并抑制换相误差引起的转矩脉动,与传统无位置传感器控制策略相比,四种工况下转矩脉动均得到明显抑制。【结论】DP-PS-SMO与FCS-MPCC的协同设计,可有效缓解无位置传感器BLDCM中低速及换相区转矩脉动问题,在不增加位置传感器的前提下提升系统运行平稳性与控制可靠性。
2026, 53(6):558-566.
DOI: 10.12177/emca.2026.171
摘要:
【目的】为了确保线缆回路电气连接可靠性,提出一种基于多幅值脉冲电流的电气虚接故障诊断方法。【方法】首先,通过有限元仿真分析电连接在正常和虚接状态下的接触电阻随温度和接触面积等关键参数的变化规律。然后,使用研制的电连接可靠性检测装置施加不同幅值的脉冲电流,测量电连接在正常和虚接状态下的接触电阻和温度,得到电接触电阻随脉冲电流幅值的变化曲线。最后,建立接触电阻与电流的数学模型,结合一阶导数和二阶导数分析,提出了一种基于导数的电气虚接故障判据。【结果】仿真和试验结果表明,本文所提诊断方法能够有效诊断电气虚接故障,并提高电气连接可靠性。【结论】本文所提基于导数的故障判据为电气虚接诊断提供了新思路,具有实际应用价值。
【目的】为了确保线缆回路电气连接可靠性,提出一种基于多幅值脉冲电流的电气虚接故障诊断方法。【方法】首先,通过有限元仿真分析电连接在正常和虚接状态下的接触电阻随温度和接触面积等关键参数的变化规律。然后,使用研制的电连接可靠性检测装置施加不同幅值的脉冲电流,测量电连接在正常和虚接状态下的接触电阻和温度,得到电接触电阻随脉冲电流幅值的变化曲线。最后,建立接触电阻与电流的数学模型,结合一阶导数和二阶导数分析,提出了一种基于导数的电气虚接故障判据。【结果】仿真和试验结果表明,本文所提诊断方法能够有效诊断电气虚接故障,并提高电气连接可靠性。【结论】本文所提基于导数的故障判据为电气虚接诊断提供了新思路,具有实际应用价值。
2026, 53(6):567-579.
DOI: 10.12177/emca.2026.175
摘要:
【目的】本文聚焦于增材制造(3D打印)在电机领域的创新应用,旨在为高性能电机的研发提供理论支撑与实践参考。【方法】首先,从行业背景、工艺原理、技术体系与竞争优势等方面对增材制造技术进行阐述。然后,系统梳理了该技术在电机定子、转子、磁钢、绕组及散热结构等关键部件中的创新应用,以明晰其前沿发展方向。最后,深入分析了增材制造技术在电机制造领域的发展趋势与当前挑战。【结果】截至2023年,全球3D打印产值已突破150亿美元,年复合增长率超过20%。近年来,相关研究人员围绕激光粉末床熔融、粘结剂喷射等主流工艺,分析了高温合金、复合磁性粉末以及导电聚合物等材料适配性,并指出在精度、表面粗糙度和后热处理方面的技术瓶颈。【结论】增材制造技术以其独特的逐层堆积原理与设计自由度,为电机领域带来了从材料制备到系统集成的全方位变革。
【目的】本文聚焦于增材制造(3D打印)在电机领域的创新应用,旨在为高性能电机的研发提供理论支撑与实践参考。【方法】首先,从行业背景、工艺原理、技术体系与竞争优势等方面对增材制造技术进行阐述。然后,系统梳理了该技术在电机定子、转子、磁钢、绕组及散热结构等关键部件中的创新应用,以明晰其前沿发展方向。最后,深入分析了增材制造技术在电机制造领域的发展趋势与当前挑战。【结果】截至2023年,全球3D打印产值已突破150亿美元,年复合增长率超过20%。近年来,相关研究人员围绕激光粉末床熔融、粘结剂喷射等主流工艺,分析了高温合金、复合磁性粉末以及导电聚合物等材料适配性,并指出在精度、表面粗糙度和后热处理方面的技术瓶颈。【结论】增材制造技术以其独特的逐层堆积原理与设计自由度,为电机领域带来了从材料制备到系统集成的全方位变革。
2026, 53(6):580-591.
DOI: 10.12177/emca.2026.172
摘要:
【目的】在“双碳”目标驱动下,新能源高比例并网的发展背景下,构网型储能变流器(GFESC)并联运行已成为储能电站规模运行的核心方案,并联工况下因线路阻抗不匹配导致的无功功率无法按容量比例精准分配,成为亟待解决的关键问题。【方法】本文首先通过理论推导,深入分析了并联变流器系统的功率传输机理与无功功率分配误差的产生机制。基于此,提出了一种基于自适应虚拟阻抗的改进型下垂控制策略,旨在动态补偿线路阻抗不匹配对无功功率分配的影响。最后,基于Matlab/Simulink仿真平台搭建并联变流器系统模型,对所提控制策略的效果进行了对比验证。【结果】仿真结果表明,本文所提无功功率分配策略在实际线路阻抗未知、无需变流器间互联通信的条件下,可实现无功功率的高精度按比例分配,同时有效减小变流器输出电压的偏差。该策略引入虚拟阻抗后,有效改善了传统方案中无功功率高精度分配与公共连接点(PCC)电压跌落之间的矛盾,可有效补偿PCC电压,使其恢复至额定工作水平;同时采用电压外环和电流内环组成的双闭环控制结构,有效维持系统电网电压与频率的稳定。【结论】该策略通过自适应虚拟阻抗实现了等效阻抗的精准匹配,为GFESC的规模化运行提供了高可靠性解决方案。
【目的】在“双碳”目标驱动下,新能源高比例并网的发展背景下,构网型储能变流器(GFESC)并联运行已成为储能电站规模运行的核心方案,并联工况下因线路阻抗不匹配导致的无功功率无法按容量比例精准分配,成为亟待解决的关键问题。【方法】本文首先通过理论推导,深入分析了并联变流器系统的功率传输机理与无功功率分配误差的产生机制。基于此,提出了一种基于自适应虚拟阻抗的改进型下垂控制策略,旨在动态补偿线路阻抗不匹配对无功功率分配的影响。最后,基于Matlab/Simulink仿真平台搭建并联变流器系统模型,对所提控制策略的效果进行了对比验证。【结果】仿真结果表明,本文所提无功功率分配策略在实际线路阻抗未知、无需变流器间互联通信的条件下,可实现无功功率的高精度按比例分配,同时有效减小变流器输出电压的偏差。该策略引入虚拟阻抗后,有效改善了传统方案中无功功率高精度分配与公共连接点(PCC)电压跌落之间的矛盾,可有效补偿PCC电压,使其恢复至额定工作水平;同时采用电压外环和电流内环组成的双闭环控制结构,有效维持系统电网电压与频率的稳定。【结论】该策略通过自适应虚拟阻抗实现了等效阻抗的精准匹配,为GFESC的规模化运行提供了高可靠性解决方案。
2026, 53(6):592-601.
DOI: 10.12177/emca.2026.169
摘要:
【目的】在能源紧缺与低碳航运的背景下,混合动力船舶的高效能量管理是关键。本文提出了一种改进型多模式功率跟随控制策略,解决了传统方法能耗高、适应性差的问题。【方法】首先,分析船舶混合动力系统整体架构,完成目标船型动力系统参数匹配与模型搭建;其次,以提升系统运行效率为目标,设计改进型多模式功率跟随能量管理策略,并采用分层控制架构:第一层采用分散式动力控制,实现各类供能设备精准最优调控;第二层依托改进型多模式等效成本最小控制策略,统筹优化整体能源消耗,同时实现功率平稳精准追踪。最后,基于Matlab实时仿真平台验证船舶混合动力系统能量管理控制策略的有效性。【结果】仿真结果表明,所提控制策略相对传统控制策略有效减少氢气消耗23.81%。【结论】本文所提控制策略综合考虑了动力电池循环寿命、燃料电池最优工作区间等约束条件,有效延长两类核心动力源使用寿命,缩减船舶整体运营成本,具备良好的实际经济应用价值。
【目的】在能源紧缺与低碳航运的背景下,混合动力船舶的高效能量管理是关键。本文提出了一种改进型多模式功率跟随控制策略,解决了传统方法能耗高、适应性差的问题。【方法】首先,分析船舶混合动力系统整体架构,完成目标船型动力系统参数匹配与模型搭建;其次,以提升系统运行效率为目标,设计改进型多模式功率跟随能量管理策略,并采用分层控制架构:第一层采用分散式动力控制,实现各类供能设备精准最优调控;第二层依托改进型多模式等效成本最小控制策略,统筹优化整体能源消耗,同时实现功率平稳精准追踪。最后,基于Matlab实时仿真平台验证船舶混合动力系统能量管理控制策略的有效性。【结果】仿真结果表明,所提控制策略相对传统控制策略有效减少氢气消耗23.81%。【结论】本文所提控制策略综合考虑了动力电池循环寿命、燃料电池最优工作区间等约束条件,有效延长两类核心动力源使用寿命,缩减船舶整体运营成本,具备良好的实际经济应用价值。
2026, 53(6):602-611.
DOI: 10.12177/emca.2026.180
摘要:
【目的】针对刮板输送机用稀土永磁电机存在永磁体成本高、气隙磁场谐波含量较高以及高温抗退磁能力差等问题,本文设计一种由铁氧体和钕铁硼共同励磁的混合磁极低速永磁同步电机(PMSM),利用铁氧体永磁成本低、高温抗退磁能力强等优点改善上述问题。【方法】首先对PMSM进行电磁设计,确定其基本参数。为提升永磁材料利用率,在控制永磁体用量相同的条件下,设计五种不同转子结构并进行对比分析,选取转矩输出能力最强的转子结构。在此基础上,设计三种不同磁路结构的混合磁极方案进行对比分析。最后利用有限元软件,对最终方案进行电磁性能分析、温度场校核以及高温抗退磁能力分析,验证混合磁极方案的有效性。【结果】与传统稀土永磁电机相比,混合磁极转子结构在保证额定转矩的前提下,永磁体成本降低了15.5%,转矩脉动降低了16.7%,同时显著提升了高温抗退磁能力。【结论】混合磁极转子结构在降低永磁体成本、优化电机性能以及增强高温稳定性方面效果显著,为刮板输送机实现节能减排和降低维护需求提供了可靠的技术支持。
【目的】针对刮板输送机用稀土永磁电机存在永磁体成本高、气隙磁场谐波含量较高以及高温抗退磁能力差等问题,本文设计一种由铁氧体和钕铁硼共同励磁的混合磁极低速永磁同步电机(PMSM),利用铁氧体永磁成本低、高温抗退磁能力强等优点改善上述问题。【方法】首先对PMSM进行电磁设计,确定其基本参数。为提升永磁材料利用率,在控制永磁体用量相同的条件下,设计五种不同转子结构并进行对比分析,选取转矩输出能力最强的转子结构。在此基础上,设计三种不同磁路结构的混合磁极方案进行对比分析。最后利用有限元软件,对最终方案进行电磁性能分析、温度场校核以及高温抗退磁能力分析,验证混合磁极方案的有效性。【结果】与传统稀土永磁电机相比,混合磁极转子结构在保证额定转矩的前提下,永磁体成本降低了15.5%,转矩脉动降低了16.7%,同时显著提升了高温抗退磁能力。【结论】混合磁极转子结构在降低永磁体成本、优化电机性能以及增强高温稳定性方面效果显著,为刮板输送机实现节能减排和降低维护需求提供了可靠的技术支持。
2026, 53(6):612-622.
DOI: 10.12177/emca.2026.176
摘要:
【目的】解决低极槽数分数槽集中绕组双转子同步电机(DRSM)中复杂气隙电磁力波引发的电磁振动与噪声问题。【方法】以6槽定子、2/4对极DRSM为研究对象,分析空载、负载工况下电磁力波特性和调制机理;基于磁势-磁导法推导磁动势和气隙磁密解析式,结合麦克斯韦张量法理论分析力波特性;通过空载反电势试验验证有限元模型,仿真分析力波时空谱及电枢反应影响;针对无轭定子设计齿靴结构,通过多物理场仿真评估振动噪声抑制效果。【结果】电磁力波空间阶次为极数与槽数最大公因数倍数,时间次数为偶数倍频;负载电流仅改变力波幅值,不改变阶次特性;齿靴结构使一阶磁导调制力波幅值降低31.01%,4倍频振动加速度和高频噪声显著降低。【结论】齿靴结构通过调控磁导分布有效抑制特定阶次电磁力波,为DRSM减振降噪提供了理论依据和工程解决方案。
【目的】解决低极槽数分数槽集中绕组双转子同步电机(DRSM)中复杂气隙电磁力波引发的电磁振动与噪声问题。【方法】以6槽定子、2/4对极DRSM为研究对象,分析空载、负载工况下电磁力波特性和调制机理;基于磁势-磁导法推导磁动势和气隙磁密解析式,结合麦克斯韦张量法理论分析力波特性;通过空载反电势试验验证有限元模型,仿真分析力波时空谱及电枢反应影响;针对无轭定子设计齿靴结构,通过多物理场仿真评估振动噪声抑制效果。【结果】电磁力波空间阶次为极数与槽数最大公因数倍数,时间次数为偶数倍频;负载电流仅改变力波幅值,不改变阶次特性;齿靴结构使一阶磁导调制力波幅值降低31.01%,4倍频振动加速度和高频噪声显著降低。【结论】齿靴结构通过调控磁导分布有效抑制特定阶次电磁力波,为DRSM减振降噪提供了理论依据和工程解决方案。
2026, 53(6):623-631.
DOI: 10.12177/emca.2026.173
摘要:
【目的】针对水下复杂环境对潜水推进器驱动系统高可靠性、强鲁棒性与全速域平稳控制的严苛要求,提出一种高频方波注入法/滑模观测器(HFI/SMO)混合无位置传感器控制策略。【方法】采用HFI/SMO双模式切换策略:零低速域用HFI,中高速域用基于锁相环的SMO,通过权重切换模块实现平滑过渡。仿真验证了所提算法的动静态性能与工程实用性。【结果】仿真数据表明,本文所提HFI/SMO混合控制策略在全速域内均保持了高精度控制。低速:200 r/min稳态运行时,转速波动范围小于±5 r/min,误差±2.5%。高速:3 000 r/min稳态运行时,转速波动范围小于±8 r/min,误差±0.27%,达到高精度调速水平。在0→3 000 r/min的加速过程中,最大跟踪误差未超过40 r/min,且无超调,表现出优异的动态跟踪性能。【结论】本文所提HFI/SMO混合控制策略满足了潜水推进器精准调速的需求,为高性能潜水推进器无位置传感器驱动提供了切实可行的解决方案。
【目的】针对水下复杂环境对潜水推进器驱动系统高可靠性、强鲁棒性与全速域平稳控制的严苛要求,提出一种高频方波注入法/滑模观测器(HFI/SMO)混合无位置传感器控制策略。【方法】采用HFI/SMO双模式切换策略:零低速域用HFI,中高速域用基于锁相环的SMO,通过权重切换模块实现平滑过渡。仿真验证了所提算法的动静态性能与工程实用性。【结果】仿真数据表明,本文所提HFI/SMO混合控制策略在全速域内均保持了高精度控制。低速:200 r/min稳态运行时,转速波动范围小于±5 r/min,误差±2.5%。高速:3 000 r/min稳态运行时,转速波动范围小于±8 r/min,误差±0.27%,达到高精度调速水平。在0→3 000 r/min的加速过程中,最大跟踪误差未超过40 r/min,且无超调,表现出优异的动态跟踪性能。【结论】本文所提HFI/SMO混合控制策略满足了潜水推进器精准调速的需求,为高性能潜水推进器无位置传感器驱动提供了切实可行的解决方案。
2026, 53(6):632-643.
DOI: 10.12177/emca.2026.179
摘要:
【目的】针对传统等齿槽宽比结构易导致气隙磁场谐波含量高、劣化感应电压波形的问题,本文设计了一种基于轴向磁通的定子径向变齿槽宽比(S-RVSWR)对转双转子同步发电机(CR-DRSG)。【方法】本文提出一种三相6槽分数槽集中绕组模块化定子,其齿宽保持恒定、槽宽随定子圆周半径线性增加的变齿槽宽比结构;定子两侧转子均为24槽分布式绕组,主导极对数分别为2对极与4对极,通过对双转子进行直流激励产生的磁场分别与定子主导极对数磁场进行耦合。利用磁动势-磁导模型和径向积分理论,推导了非工作次谐波磁通的积分抵消机理。通过三维有限元仿真与样机试验平台,对比分析了传统结构与新结构的电磁性能。【结果】仿真与试验结果表明,S-RVSWR结构能显著改善感应电压波形,使其更接近正弦波。相比传统等齿槽宽比结构,其空载相电压(5 Hz)的总谐波畸变率从24.31%下降至5.20%,其中5次、7次和11次谐波幅值显著降低。【结论】该结构利用定子径向几何非均匀性产生的积分抵消效应,有效抑制了感应电压中的低频谐波,验证了S-RVSWR设计的有效性。
【目的】针对传统等齿槽宽比结构易导致气隙磁场谐波含量高、劣化感应电压波形的问题,本文设计了一种基于轴向磁通的定子径向变齿槽宽比(S-RVSWR)对转双转子同步发电机(CR-DRSG)。【方法】本文提出一种三相6槽分数槽集中绕组模块化定子,其齿宽保持恒定、槽宽随定子圆周半径线性增加的变齿槽宽比结构;定子两侧转子均为24槽分布式绕组,主导极对数分别为2对极与4对极,通过对双转子进行直流激励产生的磁场分别与定子主导极对数磁场进行耦合。利用磁动势-磁导模型和径向积分理论,推导了非工作次谐波磁通的积分抵消机理。通过三维有限元仿真与样机试验平台,对比分析了传统结构与新结构的电磁性能。【结果】仿真与试验结果表明,S-RVSWR结构能显著改善感应电压波形,使其更接近正弦波。相比传统等齿槽宽比结构,其空载相电压(5 Hz)的总谐波畸变率从24.31%下降至5.20%,其中5次、7次和11次谐波幅值显著降低。【结论】该结构利用定子径向几何非均匀性产生的积分抵消效应,有效抑制了感应电压中的低频谐波,验证了S-RVSWR设计的有效性。
《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
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- 刊号：ISSN 1673-6540
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