直線電機(jī)設(shè)計、控制及系統(tǒng)集成專題特約主編寄語

直線電機(jī)設(shè)計、控制及系統(tǒng)集成專題特約主編寄語

一、引言

在以往諸多工業(yè)應(yīng)用場合中，直線驅(qū)動裝置或系統(tǒng)大多采用常規(guī)旋轉(zhuǎn)電機(jī)并通過中間傳動裝置（如鏈條、齒輪箱等）轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，其面臨體積大、效率低、精度低、噪聲大、機(jī)械損耗大、維護(hù)量大等問題。直線電機(jī)通過初、次級電磁感應(yīng)即可產(chǎn)生直接推力，并獲得直線運(yùn)動，是直線直驅(qū)場合的首要之選。由于省去了中間傳動裝置，直線電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)具有體積緊湊、推力大、響應(yīng)速度快、精度高、維護(hù)量小、噪聲小等眾多優(yōu)勢，迄今已在軌道交通、新能源發(fā)電、高精度機(jī)床、壓縮機(jī)等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，未來市場方興未艾，潛力十分巨大。

然而，直線電機(jī)受磁路開斷、大氣隙、初級半填充槽、初次級寬度不等及嚴(yán)重非對稱結(jié)構(gòu)等因素影響，其氣隙磁場畸變嚴(yán)重、作用機(jī)理復(fù)雜，是一個典型的高階、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，很難獲得準(zhǔn)確的電機(jī)等效模型和參數(shù)，給直線電機(jī)性能分析、電磁設(shè)計、高效控制、系統(tǒng)級優(yōu)化等工作帶來了極大困難，嚴(yán)重制約了直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)整體性能的充分發(fā)揮，亦是限制直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)一步大規(guī)模發(fā)展應(yīng)用的主要 因素。

為了反映國內(nèi)學(xué)者在“直線電機(jī)設(shè)計、控制及系統(tǒng)集成”領(lǐng)域的研究成果，在《電工技術(shù)學(xué)報》編輯和國內(nèi)外客座編委的支持下，本次專題應(yīng)運(yùn)而生。

本專題得到了國內(nèi)學(xué)者的積極響應(yīng)，共收到投稿論文70余篇，經(jīng)過審稿專家認(rèn)真嚴(yán)格評審，共錄用28篇，《電工技術(shù)學(xué)報》優(yōu)選部分稿件，在2021年第5期、第6期設(shè)專題集中刊登，本期刊登11篇稿件。研究內(nèi)容涵蓋了直線電機(jī)建模分析與優(yōu)化設(shè)計、電磁計算、高性能控制策略等多個方面，研究對象不僅包括相對傳統(tǒng)的直線感應(yīng)電機(jī)和永磁直線電機(jī)，也包括音圈電機(jī)、雙激勵直線型靜電電機(jī)、Halbach直線發(fā)電機(jī)等多種新型直線電機(jī)結(jié)構(gòu)，充分反映了當(dāng)前直線電機(jī)系統(tǒng)的研究熱點。

二、具體內(nèi)容介紹

1.在直線電機(jī)建模分析與優(yōu)化設(shè)計方面有8篇文章

論文《音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應(yīng)用綜述》結(jié)合國內(nèi)外對音圈電機(jī)本體結(jié)構(gòu)的研究，對音圈電機(jī)的技術(shù)概況進(jìn)行了綜述，對如何提高音圈電機(jī)輸出力常數(shù)和定位精度的方法進(jìn)行了歸納總結(jié)，對音圈電機(jī)的應(yīng)用前景和熱點問題進(jìn)行了分析討論。

論文《U型永磁凸極直線電機(jī)結(jié)構(gòu)及電磁特性》提出了一種U型永磁凸極直線電機(jī)，其次級永磁采用U型結(jié)構(gòu)，能夠充分利用永磁體，提高電機(jī)的空載反電動勢和電磁推力。

論文《次級斷續(xù)時直線感應(yīng)牽引電機(jī)的等效電路》針對直線輪軌交通線路中初級經(jīng)過次級感應(yīng)板斷續(xù)路段這一特殊工況，綜合考慮了初、次級耦合區(qū)域長度變化和縱向端部效應(yīng)的影響，基于新型氣隙磁通密度和去磁渦流的分布模型，構(gòu)建了次級斷續(xù)時的等效電路。

論文《靜電電機(jī)理論研究與性能仿真分析》以一種雙激勵直線型靜電電機(jī)為例，通過求解多層介質(zhì)情況下的泊松方程和拉普拉斯方程，獲得電機(jī)內(nèi)部電場分布情況。繼而通過靜電能量的虛位移法獲得電機(jī)推力特性，由此建立起完整的電機(jī)數(shù)學(xué)模型并計算得到了電機(jī)動子的推力曲線和最大電場強(qiáng)度數(shù)值，該推力曲線可用于指導(dǎo)電機(jī)換相系統(tǒng)設(shè)計。最后結(jié)合數(shù)學(xué)模型，利用Sobol靈敏度分析法獲得電機(jī)各個參數(shù)對電機(jī)最大推力的靈敏度，以指導(dǎo)該類電機(jī)的設(shè)計。

論文《基于模擬退火算法的Halbach直線發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計》描述了Halbach直線發(fā)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，引入磁矢量勢能理論推導(dǎo)出了發(fā)電機(jī)性能的表達(dá)式，由此建立了直線發(fā)電機(jī)的綜合分析模型。基于此模型，使用模擬退火算法求全局最優(yōu)解，得到一組直線發(fā)電機(jī)設(shè)計參數(shù)，包括了永磁體尺寸和繞線線圈的數(shù)據(jù)。

論文《雙邊錯位高速永磁直線同步電機(jī)的設(shè)計與分析》針對傳統(tǒng)的4極6槽雙邊對稱長初級永磁直線同步電機(jī)，在保證電磁推力大小的情況下，提出了采用雙邊錯位來降低永磁體渦流損耗的有效方法。

論文《電樞分段供電永磁直線同步電機(jī)的非線性數(shù)學(xué)模型》建立了電機(jī)的非線性相空間模型，可以準(zhǔn)確描述多相分段供電PMLSM中由繞組分段引起的電感不平衡、飽和效應(yīng)和動子通過分段時的暫態(tài)過程。

論文《120°相帶環(huán)形繞組圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)定位力降低的優(yōu)化設(shè)計》（英文）考慮到圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)（TPMLG）采用120°相帶環(huán)型繞組可以提高其功率密度，然而，TPLMG具有較大的定位力，這會引起發(fā)電機(jī)的振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定，為了解決這一問題，對120°相帶環(huán)形繞組的圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

2. 在直線電機(jī)電磁計算方面有1篇文章

論文《兩相無槽圓筒型永磁同步直線電機(jī)電感計算與分析》基于軸向磁動勢函數(shù)與軸向比磁導(dǎo)函數(shù)推導(dǎo)得到了全行程范圍內(nèi)兩相無槽TPMSLM的電感解析模型。并與有限元計算值和實驗測量值進(jìn)行了對比分析，證明了該解析方法對于電機(jī)不完全耦合狀態(tài)下電感計算的準(zhǔn)確性。

3. 在直線電機(jī)高性能控制策略方面有2篇文章

論文《熱聲發(fā)電系統(tǒng)自主協(xié)同起振控制策略》以熱聲發(fā)電系統(tǒng)（TAEGS）為應(yīng)用背景，為了降低系統(tǒng)起振溫度，縮短系統(tǒng)起振的時間，提出了一種控制熱聲發(fā)電機(jī)電動運(yùn)行將系統(tǒng)牽入諧振的自主協(xié)同起振綜合控制策略。仿真分析和實驗驗證結(jié)果表明，所提出的起振控制策略既能使熱聲發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行頻率快速跟蹤諧振頻率，提高系統(tǒng)輸出功率；同時改進(jìn)二階廣義積分控制器能有效濾除檢測信號的采樣噪聲和高頻干擾，提高控制器的穩(wěn)定性。

論文《基于自適應(yīng)觀測器的永磁同步直線電機(jī)模型預(yù)測控制系統(tǒng)設(shè)計》為優(yōu)化永磁同步直線電機(jī)的調(diào)速性能，解決永磁同步直線電機(jī)對速度傳感器依賴程度高等問題，采用模型預(yù)測控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PI控制器，并用模型參考自適應(yīng)觀測器替代機(jī)械傳感器，成功設(shè)計了一種帶模型參考自適應(yīng)觀測器的永磁同步直線電機(jī)預(yù)測電流控制系統(tǒng)，提高了相關(guān)驅(qū)動性能。

三、結(jié)語

本次專題反映了我國學(xué)者在“直線電機(jī)設(shè)計、控制及系統(tǒng)集成”領(lǐng)域的最新進(jìn)展，為相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者提供了交流的平臺，為促進(jìn)直線電機(jī)的性能提升和應(yīng)用提供了思考和啟發(fā)。

感謝各位專家編委對本專題的支持，感謝《電工技術(shù)學(xué)報》編輯部為本次專題能夠順利出版付出的辛勤勞動。

2021年3月