直线电机设计、控制及系统集成专题特约主编寄语

一、引言

在以往诸多工业应用场合中,直线驱动装置或系统大多采用常规旋转电机并通过中间传动装置(例如链条、齿轮箱等)转换为直线运动,其面临体积大、效率低、精度低、噪声大、机械损耗大、维护量大等问题。直线电机通过初、次级电磁感应即可产生直接推力,并获得直线运动,是直线直驱场合的首要之选。由于省去了中间传动装置,直线电机直驱系统具有体积紧凑、推力大、响应速度快、精度高、维护量小、噪声小等众多优势,迄今已在轨道交通、新能源发电、高精度机床、压缩机等诸多领域得到广泛应用,未来市场方兴未艾,潜力十分巨大。

然而,直线电机受磁路开断、大气隙、初级半填充槽、初次级宽度不等及严重非对称结构等因素影响,其气隙磁场畸变严重、作用机理复杂,是一个典型的高阶、非线性、强耦合系统,很难获得准确的电机等效模型和参数,给直线电机性能分析、电磁设计、高效控制、系统级优化等工作带来了极大困难,严重制约了直线电机驱动系统整体性能的充分发挥,亦是限制直线电机驱动系统进一步大规模发展应用的主要因素。

为了反映国内学者在“直线电机设计、控制及系统集成”领域的研究成果,在《电工技术学报》编辑和国内外客座编委的支持下,本次专题应运而生。

本专题得到了国内学者的积极响应,共收到投稿论文70余篇,经过审稿专家认真严格评审,专题最终选用27篇,研究内容涵盖了直线电机建模分析与优化设计、电磁计算、高性能控制策略等多个方面,研究对象不仅包括相对传统的直线感应电机和永磁直线电机,也包括双三相永磁直线电机、开绕组磁场调制永磁直线电机、双轴直线电机等多种新型直线电机结构,充分反映了当前直线电机系统的研究热点。本期先选用11篇刊出。

二、具体内容介绍

1. 在直线电机建模分析与优化设计方面有4篇文章

论文《双三相永磁直线电机的推力波动及抑制》基于有限元模型,分析了双三相永磁直线同步电机的推力波动,其包括了两个由于直线结构引起的分量,并针对这些问题分别通过采用优化铁心边端齿和提出不等匝数绕组结构的方法来进行抑制。

论文《平板型永磁直线同步电机推力特性的优化设计》为了抑制永磁直线同步电机的推力波动,提升平均推力,以12槽10极平板型永磁同步直线电机为研究对象,对电机的设计参数进行了优化。

论文《永磁电动悬浮系统三维解析建模与电磁力优化分析》建立了直线型永磁电动悬浮系统三维电磁解析模型,考虑了系统的横向端部效应和纵向端部效应计算问题,基于构建的三维解析模型分析了结构参数对系统性能指标的影响。

论文《次级断续时直线感应牵引电机的分段式等效电路与特性分析》在考虑初级有限长、横向端部效应、初级半填充槽和趋肤效应的前提下,综合分析了初级与断续次级的耦合情况和纵向端部效应,提出了次级断续工况下直线感应电机的分段式等效电路模型并分析了电机的运行特性。

2. 在直线电机电磁计算方面有2篇文章

论文《永磁直线同步电机空载反电动势和推力的解析计算》针对目前永磁直线同步电机(PMLSM)磁场解析模型的复杂性,为了提高解析模型的计算效率,采用了改进的二维气隙相对磁导函数,以计算考虑齿槽效应时电机的空载反电动势和推力。

论文《长定子直线同步电机齿槽效应的计算与影响》采用傅里叶级数法建立了高速磁浮长定子直线同步电机的解析模型,计算出气隙纵向磁通密度沿运动方向上的分布,并与有限元结果进行了对比。

3. 在直线电机高性能控制策略方面有5篇文章

论文《开绕组磁场调制永磁直线电机的单位功率因数弱磁控制》通过单位功率因数调制策略,解耦电机运行所需有功功率、无功功率,降低电源逆变器无功压力,使之运行于单位功率因数。将弱磁与飞跨电容的功率因数补偿特点相结合,拓宽了电机系统的调速范围。

论文《直线感应电机效率优化控制技术综述》归纳了国内外直线感应电机效率优化控制技术的研究现状,分析总结了迄今所存在的关键问题,并讨论了未来直线感应电机高效控制技术发展方向。

论文《基于生物智能环状耦合的嵌入式永磁同步直线电机高精度位置协同控制研究》针对集成永磁同步直线电机(IPMSLM)系统,借鉴生物领域激素调节原理,结合生物智能控制与滑模变结构控制算法,提高了IPMSLM 系统中单电机的定位精度与鲁棒性。基于Lyapunov 稳定性原理,设计了环状耦合位置协同控制器,在确保全局稳定的同时,进一步提高了 IPMSLM 整个系统的协同定位精度。

论文《基于速度前瞻的双轴直线电机交叉耦合控制策略》设计了能够适应多种路径类型的改进自适应插补算法交叉耦合控制器。同时利用双环滑模控制算法设计了单轴电机控制器,该控制器可以提高电机对干扰做出反应的速度,并及时调整输出。

论文《直线式移相变压器两类纵向边端效应分析》针对直线式移相变压器磁路开断产生两类纵向边端效应这一固有问题,分析了第一类纵向边端效应影响下三相电流不平衡现象以及气隙磁动势的分布,推导出第二类纵向边端效应影响下气隙磁场的解析表达式,证明了通过合理选取变压器设计参数可以有效削弱两类纵向边端效应对气隙磁场和工作性能的影响。

三、结语

本次专题反映了我国学者在“直线电机设计、控制及系统集成”领域的最新进展,为相关领域的专家学者提供了交流的平台,为促进直线电机的性能提升和应用提供了思考和启发。

感谢各位专家编委对本专题的支持,感谢《电工技术学报》编辑部为本次专题能够顺利出版付出的辛勤劳动。