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Electromagnetic characteristic analysis and design of a linear motor used for ultra-high-speed EMS maglev train

Science China(Technological Sciences) 2024年第6期67卷 1957-1973页

作者： GAO Han shi tingna GAO XinMai LEI YanXiao YAN Dong GUO LiYan YAN Yan College of Electrical Engineering Zhejiang UniversityHangzhou310027China Zhejiang University Advanced Electrical Equipment Innovation Center Hangzhou311107China State Key Laboratory of High-speed Maglev Transportation Technology Qingdao266100China CRRC Qingdao Sifang Co.Ltd. Qingdao266111China

The operating speed of the commercial electromagnetic suspension(EMS)maglev train has been over 430 km/h,making it the fastest means of land *** the increasing demands of people traveling,it is necessary to further improve the operating speed of maglev *** to examine whether the existing EMS system can meet the requirements of ultra-highspeed operation(more than 600 km/h),the electromagnetic characteristics of an EMS linear motor under the operating speed of 600–1000 km/h fed by a square-wave voltage supply is investigated in this ***,an electromagnetic field model of the EMS system under the square-wave voltage supply is established to investigate its electromagnetic performance,e.g.,the characteristics of phase current,the magnetic flux density,and the electromagnetic ***,the relationship between the harmonic components of the air-gap magnetic flux density and electromagnetic force is investigated using the two-dimensional fast Fourier transform(2D-FFT)to reveal the mechanism of electromagnetic force ***,to address the issues of excessive armature current density and significant electromagnetic force ripple,the linear motor is re-designed by enlarging the stator slot area and reshaping the mover's main magnetic ***,the Taguchi method is used to further improve the electromagnetic characteristics of the linear electric ***,the effectiveness of the proposed optimal design is validated by the finite-element analysis(FEA)based co-simulation.

关键词： ultra-high-speed maglev transportation electromagnetic suspension(EMS) linear motor electromagnetic force ripple suppression

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基于参考电压修正的双级矩阵变换器Delta-Sigma调制

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电工技术学报 2024年第10期39卷 3070-3081页

作者：周湛清谢琦坤马朝磊薛凌月史婷娜天津工业大学高效能电机系统智能设计与制造国家地方联合工程研究中心天津300387 天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072 浙江大学电气工程学院杭州310027

Delta-Sigma调制(DSM)可在无需随机过程统计特性和复杂谐波理论分析的基础上,依托其过采样特性实现电力电子变换器变频调制。双级矩阵变换器(TSMC)作为一种理想的“全硅”交-交变换器,若能够将DSM引入TSMC,可进一步优化其电磁干扰(EMI)... 详细信息

Delta-Sigma调制(DSM)可在无需随机过程统计特性和复杂谐波理论分析的基础上,依托其过采样特性实现电力电子变换器变频调制。双级矩阵变换器(TSMC)作为一种理想的“全硅”交-交变换器,若能够将DSM引入TSMC,可进一步优化其电磁干扰(EMI)水平和运行效率,但TSMC的直流链电压波动问题导致TSMC-DSM策略难以直接实现。针对TSMC-DSM实现问题,该文提出一种基于参考电压修正的DSM策略。在所提方法中,通过解析TSMC整流级调制过程,将逆变级参考电压按照整流级矢量作用顺序进行修正,并依次获得各扇区参考电压修正系数。最后,在两相坐标系下分别构建两个DSM调制器,并将修正后的逆变级电压参考值引入DSM调制器以实现高性能TSMC-DSM策略。实验结果表明,所提策略能够对输出电压、电流频谱进行合理整形以减少系统对外部的电磁干扰,同时具备优良的电压传输比和动态调制性能。

关键词：双级矩阵变换器 Delta-Sigma调制器电压传输比双空间矢量调制

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End-effect of the permanent-magnet spherical motor and its influence on back-EMF characteristics

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Science China(Technological Sciences) 2012年第1期55卷 206-212页

作者： shi tingna SONG Peng LI HongFeng XIA ChangLiang School of Electrical Engineering and Automation Tianjin University Tianjin 300072 China North China Electric Power Research Institute Co. Ltd. Beijing 100045 China Tianjin Polytechnic University School of Electrical Engineering ＆ Automation Tianjin 300160 China

The permanent-magnet(PM) spherical motor has special configuration and complicated distribution of electromagnetic *** spatial distribution of the effective flux density produced by permanent magnets is obtained,and the end-effect of the permanent magnets is *** the 3-dimensional(3-D) finite element(FE) analysis,the calculation of Back-EMF charac-teristics of the PM spherical motor needs to be conducted by steps,which leads to large computational burden.A novel ana-lyzing method to quantize the end-effect of the PM spherical motor is proposed,that is,the end-effect coefficient of the PM spherical motor is calculated to revise the back-EMF waveform obtained from the 2-D FE *** different outer radii of the stator coil and different pole arc coefficients of the PM spherical motor,the revised 2-D results are validated by the results obtained from the 3-D FE model and the experimental *** this method,the special structural feature of the PM spherical motor is fully considered;the pure 3-D calculation of electromagnetic field is conducted only once;higher precision and less computational burden can be *** method provides a new approach to investigating the back-EMF charac-teristic of the PM spherical motor.

关键词：下午球形的马达 back-EMF FE 分析结束效果系数

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Direct power control for three-level PWM rectifier based on hysteresis strategy

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Science China(Technological Sciences) 2012年第11期55卷 3019-3028页

作者： shi tingna WANG Jian ZHANG Ce XIA ChangLiang School of Electrical Engineering and Automation Tianjin UniversityTianjin 300072China Tianjin Key Laboratory of Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy Tianjin Polytechnic UniversityTianjin 300387China

This paper presents a mathematical model of three-level voltage PWM rectifier,and derives a power control model from the theory of instantaneous *** the vector-space,the influences on instantaneous power exercised by all the switching vectors are studied and illustrated separately,then a direct power control(DPC) scheme for three-level PWM rectifier which uses multistage band hysteresis comparator is proposed,and a novel switching table is ***,the neutralpoint voltage unbalance is inhibited by selecting the redundancy switching states of small voltage *** and experimental results show that the proposed strategy can not only stabilize the DC bus voltage but also realize the unity power factor operation and the balance of neutral-point ***,the proposed method can improve the performance of the three-level rectifier.

关键词： PWM整流器瞬时功率三电平控制滞后电压不平衡中性点电压直接功率控制直流母线电压

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A novel orientation measurement using optical sensor for spherical motor

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Science China(Technological Sciences) 2013年第6期56卷 1330-1339页

作者： XIN JianGuo XIA ChangLiang LI HongFeng shi tingna School of Electrical Engineering and Automation Tianjin University School of Automation Tianjin University of Technology

The measurement of spherical rotor orientation is crucial to the close-loop control of spherical motors. This paper presents a novel method for the measuring of three-degree-of-freedom (DOF) rotor orientation of spherical motors using optical sensors. The spatial orientation of spherical rotor is output in the form of ZXZ Euler angles. Firstly, the structure of the measuring system composed of optical sensors and the patterns on the rotor surface are presented, and the operational principle of recognizing intersection points between the optical ring detectors and the latitude/longitude on the rotor surface is illustrated. The analytical model of input-output characteristic is established for the measuring system of three-DOF rotor orientation. Afterwards, the effect of parameters of the optical ring detectors on the linearity, sensitivity, resolving power and measuring range of the measuring system is analyzed using the analytical model. Finally, the feasibility of the measurement is validated through experiments of prototype measuring system. The analysis is expected to be a basis for the design parameter optimization of the orientation measuring system of a PM spherical motor.

关键词：球形电动机光学传感器定向测量电机转子测量系统旋转方向光检测器输出特性

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级联H桥逆变器驱动永磁同步电机的鲁棒预测电流控制策略

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中国电机工程学报 2022年第14期42卷 5266-5277页

作者：姚欢史婷娜王志强张国政陈炜天津大学电气自动化与信息工程学院天津市南开区300072 浙江大学电气工程学院浙江省杭州市310027 天津工业大学电气工程与自动化学院天津市西青区300387

该文针对预测电流控制在多电平逆变器中对参数敏感以及选择矢量繁琐的问题,提出一种适用于级联H桥逆变器驱动永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)的鲁棒预测电流控制策略。首先,基于滑模理论提出一种多参数整合的观... 详细信息

该文针对预测电流控制在多电平逆变器中对参数敏感以及选择矢量繁琐的问题,提出一种适用于级联H桥逆变器驱动永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)的鲁棒预测电流控制策略。首先,基于滑模理论提出一种多参数整合的观测器。为了消除电阻和永磁体磁链误差的影响,该观测器将参数扰动项与含有电阻、磁链的项进行整合,并用观测项对预测模型进行实时补偿。同时为了抑制滑模抖振,采用一种参数可调的连续函数作为趋近率,进而得到可以抑制抖振和具有鲁棒性的参考电压。然后,根据对参考电压在多电平空间中所处区域的判定,可以直接得到最优两矢量及其占空比,且计算过程与电平数无关。最后,通过仿真和实验对本文所提方法的可行性和有效性进行了验证。

关键词：多电平逆变器永磁同步电机预测电流控制双矢量鲁棒性

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辅助坐标系下永磁同步电机低载波比无差拍预测转矩控制

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中国电机工程学报 2023年第2期43卷 761-769页

作者：阎彦赵梦圆陈志伟李敏史婷娜浙江大学电气工程学院浙江省杭州市310027 天津大学电气自动化与信息工程学院天津市南开区300072

该文提出一种适用于永磁同步电机高速、低载波比运行的无差拍预测转矩控制方法。为了降低低载波比下因转子位置变化引起的预测误差,借助辅助坐标系,通过直接求解微分方程的方法构造新的离散预测模型;基于新模型,提出无差拍转矩控制的控... 详细信息

该文提出一种适用于永磁同步电机高速、低载波比运行的无差拍预测转矩控制方法。为了降低低载波比下因转子位置变化引起的预测误差,借助辅助坐标系,通过直接求解微分方程的方法构造新的离散预测模型;基于新模型,提出无差拍转矩控制的控制量计算表达式和一步延时补偿方法。基于辅助坐标系下磁链与负载角差值间的数学关系,利用磁链预测值可直接获得转矩预测值。此外,为了减低电机参数失配对转矩控制的不利影响,采用暂态时公式法、稳态时功率守恒法计算转矩反馈值。实验结果表明所提方法具有可行性和有效性。与传统方法相比,所提方法在低载波比下具有较小的模型误差,转矩、磁链的预测和控制更加精确,并且对电机参数具有一定的鲁棒性。

关键词：永磁同步电机低载波比预测转矩控制无差拍控制辅助坐标系

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准Z源逆变器–PMSM控制中多电流传感器比例误差平衡方法

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中国电机工程学报 2022年第7期42卷 2706-2713页

作者：林治臣史婷娜李新旻王志强张云浙江大学电气工程学院浙江省杭州市310027 天津工业大学电气工程与自动化学院天津市西青区300387 天津大学电气自动化与信息工程学院天津市南开区300072

该文提出一种应用于准Z源逆变器–永磁同步电机控制中的电流传感器比例误差平衡方法。该方法在一个PWM周期的2个直通矢量中对逆变器输出相支路与逆变器一个桥臂支路电流的和进行采样。通过将2次采样值作差,可以获得三相电流传感器之间... 详细信息

该文提出一种应用于准Z源逆变器–永磁同步电机控制中的电流传感器比例误差平衡方法。该方法在一个PWM周期的2个直通矢量中对逆变器输出相支路与逆变器一个桥臂支路电流的和进行采样。通过将2次采样值作差,可以获得三相电流传感器之间比例系数的关系,进而可以对电流传感器比例误差进行矫正。论文分析了从直通矢量采样获得的电流中提取电流传感器比例误差的可行性,并给出相应的调制策略。对比在零矢量中进行电流采样的方法,直通矢量采样的电流传感器比例误差平衡方法可以消除存在于高调制区的采样盲区,扩展电机运行范围,其有效性在一台20kW的永磁同步电机上得到了实验验证。

关键词：永磁同步电机准Z源逆变器电流采样电流传感器误差矫正测量盲区

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基于变模态分解的异步电机转子断条故障诊断

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电工技术学报 2023年第8期38卷 2048-2059页

作者：夏志凌胡凯波刘心悦李彬华史婷娜浙江浙能兰溪发电有限责任公司金华321199 浙江大学电气工程学院杭州310027

电机稳态运行时的故障特征频率与基频接近,难以实现转子断条时的故障电流分量的有效提取。对此,该文根据起动过程中转子断条故障特征信号频率易与基频区分的特点,采用变模态分解(VMD)方法对起动过程中的定子电流进行分析并对故障进行诊... 详细信息

电机稳态运行时的故障特征频率与基频接近,难以实现转子断条时的故障电流分量的有效提取。对此,该文根据起动过程中转子断条故障特征信号频率易与基频区分的特点,采用变模态分解(VMD)方法对起动过程中的定子电流进行分析并对故障进行诊断。首先,基于平均瞬时频率对VMD的模态个数进行优化,准确分解出能量集中的断条故障特征信号。在此基础上,利用维格纳准概率分布高时频分辨率的特点绘制断条故障特征信号的时频分布图,引入大津算法对图片进行抗噪处理,突出故障特征部分。然后,以故障特征信号能量值作为故障量化因子,以不同故障状态下多组实验数据的均值和标准差为依据设置阈值,实现系统自动故障预警的目的。最后,在一台5.5 kW异步电机上进行了实验,结果表明,所提诊断方法不仅能够实现包括不完全断条在内的故障诊断,还能够实现对断条故障严重程度的判断。

关键词：异步电机转子断条故障诊断变模态分析(VMD) 本征模态函数(IMF) 大津算法(OTSU)

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电机驱动系统故障诊断技术综述

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中国电机工程学报 2023年第14期43卷 5619-5633页

作者：刘博李晨阎彦张国政耿强史婷娜夏长亮浙江大学电气工程学院浙江省杭州市310027 浙江大学先进电气装备创新中心浙江省杭州市311107 天津工业大学电气工程学院天津市西青区300387

故障诊断技术对电机驱动系统的安全稳定与高效运行至关重要,是近年来电机驱动领域的研究热点之一。该文旨在对电机驱动系统故障诊断方面的研究工作进行系统性综述。首先,介绍电机驱动系统的常见故障类型,并梳理故障诊断所面临的技术难... 详细信息

故障诊断技术对电机驱动系统的安全稳定与高效运行至关重要,是近年来电机驱动领域的研究热点之一。该文旨在对电机驱动系统故障诊断方面的研究工作进行系统性综述。首先,介绍电机驱动系统的常见故障类型,并梳理故障诊断所面临的技术难题。其次,对现有故障诊断方法进行分类和归纳,详细阐述各类方法的基本原理。在此基础上,深入探讨电机驱动系统各类故障诊断方法的适用范围以及所面临的挑战。最后,对电机驱动系统故障诊断技术未来的发展趋势进行全方位展望,以期为理论研究和技术路线的创新发展提供一些思考和借鉴。

关键词：电机驱动系统功率器件传感器电容故障诊断

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