直線電機設計、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)電機并通過中間傳動裝置（如鏈條、齒輪箱等）轉(zhuǎn)換為直線運動，其面臨體積大、效率低、精度低、噪聲大、機械損耗大、維護量大等問題。直線電機通過初、次級電磁感應即可產(chǎn)生直接推力，并獲得直線運動，是直線直驅(qū)場合的首要之選。由于省去了中間傳動裝置，直線電機直驅(qū)系統(tǒng)具有體積緊湊、推力大、響應速度快、精度高、維護量小、噪聲小等眾多優(yōu)勢，迄今已在軌道交通、新能源發(fā)電、高精度機床、壓縮機等諸多領(lǐng)域得到廣泛應用，未來市場方興未艾，潛力十分巨大。

然而，直線電機受磁路開斷、大氣隙、初級半填充槽、初次級寬度不等及嚴重非對稱結(jié)構(gòu)等因素影響，其氣隙磁場畸變嚴重、作用機理復雜，是一個典型的高階、非線性、強耦合系統(tǒng)，很難獲得準確的電機等效模型和參數(shù)，給直線電機性能分析、電磁設計、高效控制、系統(tǒng)級優(yōu)化等工作帶來了極大困難，嚴重制約了直線電機驅(qū)動系統(tǒng)整體性能的充分發(fā)揮，亦是限制直線電機驅(qū)動系統(tǒng)進一步大規(guī)模發(fā)展應用的主要 因素。

為了反映國內(nèi)學者在“直線電機設計、控制及系統(tǒng)集成”領(lǐng)域的研究成果，在《電工技術(shù)學報》編輯和國內(nèi)外客座編委的支持下，本次專題應運而生。

本專題得到了國內(nèi)學者的積極響應，共收到投稿論文70余篇，經(jīng)過審稿專家認真嚴格評審，共錄用28篇，《電工技術(shù)學報》優(yōu)選部分稿件，在2021年第5期、第6期設專題集中刊登，本期刊登11篇稿件。研究內(nèi)容涵蓋了直線電機建模分析與優(yōu)化設計、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)的直線感應電機和永磁直線電機，也包括音圈電機、雙激勵直線型靜電電機、Halbach直線發(fā)電機等多種新型直線電機結(jié)構(gòu)，充分反映了當前直線電機系統(tǒng)的研究熱點。

二、具體內(nèi)容介紹

1.在直線電機建模分析與優(yōu)化設計方面有8篇文章

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

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

論文《次級斷續(xù)時直線感應牽引電機的等效電路》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《靜電電機理論研究與性能仿真分析》以一種雙激勵直線型靜電電機為例，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推力特性，由此建立起完整的電機數(shù)學模型并計算得到了電機動子的推力曲線和最大電場強度數(shù)值，該推力曲線可用于指導電機換相系統(tǒng)設計。最后結(jié)合數(shù)學模型，利用Sobol靈敏度分析法獲得電機各個參數(shù)對電機最大推力的靈敏度，以指導該類電機的設計。

論文《基于模擬退火算法的Halbach直線發(fā)電機優(yōu)化設計》描述了Halbach直線發(fā)電機的拓撲結(jié)構(gòu)，引入磁矢量勢能理論推導出了發(fā)電機性能的表達式，由此建立了直線發(fā)電機的綜合分析模型。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)電機設計參數(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的設計與分析》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，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的非線性數(shù)學模型》建立了電機的非線性相空間模型，可以準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)電機定位力降低的優(yōu)化設計》（英文）考慮到圓筒型永磁直線發(fā)電機（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)電機進行了優(yōu)化設計。

2. 在直線電機電磁計算方面有1篇文章

論文《兩相無槽圓筒型永磁同步直線電機電感計算與分析》基于軸向磁動勢函數(shù)與軸向比磁導函數(shù)推導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行了對比分析，證明了該解析方法對于電機不完全耦合狀態(tài)下電感計算的準確性。

3. 在直線電機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)電機電動運行將系統(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)運行頻率快速跟蹤諧振頻率，提高系統(tǒng)輸出功率；同時改進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《基于自適應觀測器的永磁同步直線電機模型預測控制系統(tǒng)設計》為優(yōu)化永磁同步直線電機的調(diào)速性能，解決永磁同步直線電機對速度傳感器依賴程度高等問題，采用模型預測控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PI控制器，并用模型參考自適應觀測器替代機械傳感器，成功設計了一種帶模型參考自適應觀測器的永磁同步直線電機預測電流控制系統(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者在“直線電機設計、控制及系統(tǒng)集成”領(lǐng)域的最新進展，為相關(guān)領(lǐng)域的專家學者提供了交流的平臺，為促進直線電機的性能提升和應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