抢鲜看｜《电工技术学报》2021年第4期目次及摘要
《电工技术学报》
《电工技术学报》是中国电工技术学会主办的电气工程领域综合性学术期刊，报道基础理论研究、工程应用等方面具有国际和国内领先水平的学术及科研成果。中国工程院院士马伟明任《学报》编委会主任，兼《学报》主编。
生物电工技术专题
生物电工技术专题特约主编寄语（徐桂芝 教授）
磁场促进生物体内氧气利用的机制及其医学应用
作者：苑曦宸；张彬；孟智悦；王建萍；尹大川 等
摘要：磁场在地球生命的产生、演化与繁衍中起着至关重要的作用。生命的存活离不开氧气（O2）,O2是大部分生物体生理活动的必需物质。磁场作为非侵入式物理条件,在一定条件下可以促进生物体内O2的利用。该文从磁场和O2的基本概念入手,基于现有的文献总结磁场促进生物体内O2利用的生物学机制,展现磁场在呼吸-循环系统障碍性疾病/症状相关医学领域上的一些应用。以缓解氧代谢障碍疾病的缺氧症状和改善当下新冠患者的呼吸窘迫为理念,利用电工医学交叉学科的优势,拟解决该领域中促进O2利用的待突破关键技术和发展需求,并对此发展前景予以展望。
重复经颅磁刺激对认知功能的作用及其分子机理的研究进展
作者：尚莹春；张涛
摘要：重复经颅磁刺激（rTMS）作为一种非侵入性的物理干预手段,其原理是利用交变磁场在一个局部脑区产生感应电流。目前rTMS已经成为一种选择性改变神经元电活动的方法,并广泛应用于精神类和神经类疾病的临床辅助治疗。认知功能障碍是许多大脑疾病的核心症状,是影响患者生存质量的主要因素。rTMS能够显著改善患者大脑的神经功能网络,有望成为一种改善认知功能障碍的治疗方法。该文主要针对rTMS对正常生理状态以及在精神类疾病、神经类疾病和其他疾病导致的认知功能障碍中作用及其潜在分子机理进行综述。
磁场影响血糖和糖尿病并发症研究进展
作者：冯传林；郁彪；方彦雯；方志财；张欣
摘要：多项研究表明,磁场会对机体血糖水平和糖尿病并发症产生一定影响。该文系统地比较并分析多种参数的磁场对多种生物系统的血糖、胰岛素水平以及糖尿病并发症的影响。研究结果显示,尽管磁场对血糖和胰岛素水平的影响会因为磁场参数和检测样品的多样化而导致其结果不同,但磁场对糖尿病伤口愈合以及骨关节病有着比较一致的正面效应,显示了良好的应用前景。虽然目前对磁场影响血糖的相关机制探索还不够系统深入,但已有证据表明,磁场可能通过影响细胞膜、膜蛋白以及Ca2+浓度等来影响胰岛素分泌。这不仅有助于人们深入了解磁场对血糖调节和糖尿病的影响,而且为未来进行更系统深入的研究,开发磁场在糖尿病及其并发症临床治疗中的潜在应用奠定基础。
功能磁共振成像在肿瘤学领域的应用
作者：冯焕；姜晖；王雪梅
摘要：功能磁共振成像（fMRI）作为一种非侵入性和非电离辐射成像,可对全身各系统疾病进行成像诊断,如心血管疾病、神经退行性疾病、肿瘤、创伤和炎症等。肿瘤是全球第二大死亡原因,各国科学家都致力于攻克肿瘤。通过fMRI对肿瘤进行成像,可实现肿瘤的分型、分级和分期,对制定治疗方案、评估疗效及预后等有重大作用。该文总结和探讨六种fMRI,包括弥散加权成像（DWI）、弥散张量成像（DTI）、灌注加权成像（PWI）、磁敏感加权成像（SWI）、磁共振波谱成像（MRS）和血氧水平依赖的功能磁共振成像（BOLD-fMRI）,以及多模态正电子发射断层扫描/磁共振成像（PET/MRI）在肿瘤学领域的应用,并对其在相关治疗领域的应用前景进行展望。
磁场反转下趋磁细菌运动学特性分析及与鞭毛的关系
作者：陈海涛；陈林杰；石宏开；杜军渭；宋涛
摘要：趋磁细菌是能沿磁场方向运动的特殊细菌,其趋磁机制尚存争议。该文通过建立趋磁细菌的运动学方程,仿真分析了反转磁场作用下趋磁细菌AMB-1的运动学特性。结合AMB-1动力学建模分析和实验结果表明,野生型菌株的运动特性与带有鞭毛的长椭球体基本吻合,而敲除类甲基受体趋化蛋白Amb0994后菌株对磁场反转的响应要比野生型菌株快,类似于没有鞭毛的长椭球体,这种行为差异可能是菌株鞭毛功能改变的结果;推测Amb0994可以通过控制鞭毛参与细菌对磁力矩变化的响应。这项研究有助于更深入地了解趋磁细菌的趋磁机制,并为探讨细菌鞭毛功能提供理论分析方法。
磁声成像系统矩阵特征值差异性仿真研究
作者：马任；周晓青；张顺起；殷涛；刘志朋
摘要：磁声成像技术是一种利用电磁场及超声场耦合成像的技术,能以超声分辨率来显示生物组织电特性分布参数。为具体分析一些检测条件对磁声成像系统重建的影响,获取高分辨率电导率图像,对磁声成像系统矩阵特征值差异性进行仿真研究。从磁声成像声源产生原理出发,分析磁声声源的特性,并分别针对不同声换能器个数、不同磁声信号接收采样角度及不同带宽换能器的条件,建立磁声成像系统矩阵模型;以矩阵模型为基础,分别计算系统矩阵的特征值,利用截断奇异值方法对各条件下获取的磁声信号进行图像重建。结果表明,换能器个数及换能器带宽特性对电导率信息的重建影响很大,而接收角度对接收电导率信息影响不大,但接收角度会影响求解域,从而造成磁声信号接收不全,重建的电导率图像失真。本研究将对磁声成像实验设计和后续应用提供研究基础。
基于磁声电技术的肺部组织成像仿真研究
作者：李彩莲；李元园；刘国强
摘要：新冠肺炎可引起肺水肿和肺实变,对肺部造成严重的损害。CT检测存在辐射,超声成像对轻症患者难以发挥作用。磁声电成像是一种典型的电磁和超声相互耦合的电特性成像技术,具有高空间分辨率和高对比度的优点,可检测肺部病变早期变化。该文介绍磁声电技术的原理,利用有限元分析软件建立肺水肿或肺实变前期模型和完全肺水肿或肺实变模型,仿真分析所建模型的磁声电信号并实现了B扫成像。仿真结果表明,肺部组织内的气体对超声波有反射作用,随着肺部组织内气体含量逐渐减少,肺部组织左边界上由反射超声波形成的脉冲信号幅值减小,肺部组织右边界上由绕射过含气组织的超声波增加产生的脉冲信号幅值增大。当肺部完全水肿或肺实变后,肺部组织内不再含有气体,由反射超声波引起的脉冲信号消失,可显示内部肿块的脉冲信号。该文通过仿真论述了磁声电成像技术在新冠肺炎临床应用中的潜力。
大脑脉动血流电导率孔隙导电模型仿真
作者：丁晓迪；柯丽；杜强
摘要：脑血液电导率是脑阻抗成像和脑疾病评估的重要参数。为了研究脑部脉动血液电导率变化机理,该文基于Maxwell-Fricke原理建立血液红细胞绝缘孔隙导电模型,以血流动力学参数为指标,研究血流电导率与红细胞绝缘孔隙几何参数之间的数值关系。在此基础上构建具有孔隙导电结构的高分辨率大脑Willis环模型,利用耦合非线性微分方程计算脑动脉血流动力学参数的时空分布,模拟非均匀电导率血液的等效体积电导率。结果表明,与不考虑孔隙取向的定常血流模型电导率相比,一个心动周期内孔隙导电模型的电导率峰值增大27.6%,其余时刻增大约12%,增大比例与心脏泵血时期密切相关。仿真结果与真实脉动血液电导率具有较好的一致性,使用该文所提出的模型能够准确预测不同血液流变条件下的在体血流电导率。
基于差分迭代的电阻抗成像算法研究
作者：章伟睿；张涛；史学涛；付峰；徐灿华
摘要：大多数电阻抗断层成像算法需要选择较优正则化参数来克服方程病态性,以获得较好的图像质量。该文提出一种基于差分迭代的电阻抗断层成像算法,利用动态线性逼近在不调整正则化参数的情况下提高成像质量。在近似线性变化区域内建立扰动模型,利用梯度法推导出电导率差值迭代关系进行快速重构成像,并将重构图像与基于几种客观正则化参数选取方法的重构图像在位置误差、分辨率、形状误差、环状伪影等性能指标方面进行比较。仿真结果证明,该文提出的差分迭代算法能与常用重构算法保持相似或更优的效果,该方法具有较好的实际应用前景。
磁刺激穴位调节负性情绪的脑电溯源和脑网络研究
作者：尹宁；张家皓；王海力；王敖翔；徐桂芝
摘要：将磁刺激技术、脑电溯源、脑网络、主观量表分析与传统穴位理论相结合,探讨磁刺激神门穴对人体负性情绪的调节作用。利用标准低分辨率电磁断层成像对静息、视频诱发负性情绪以及视频诱发结合穴位刺激的脑电信号进行溯源分析。通过复杂网络理论构建脑皮层功能网络,对比研究网络局部和全局拓扑特征。结果表明,磁刺激神门穴时前额叶、颞叶、顶叶等情绪相关脑区发生显著变化,前额叶和颞叶节点度分别下降10.6%和6.2%,颞极区和边缘叶节点度分别上升6.1%和8.2%,脑网络总体平均度上升1%,平均聚类系数下降5%。磁刺激神门穴对负性情绪具有调节作用,推测其工作机制为大脑前额叶、颞叶部分活动转移至颞极区和边缘叶。
Ar等离子体射流处理乙醇水溶液的放电特性及灭菌效应
作者：夏文杰；刘定新
摘要：乙醇是一种医疗上常用的消毒剂,理论上在Ar等离子体射流处理的水溶液中掺杂乙醇可以增强灭菌效果。通过对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的灭活实验,发现在被处理的水溶液中掺杂20%乙醇可使Ar射流等离子体活化水的灭菌效果提高5个数量级以上。进一步地,发现当工作气体中掺杂0.2%N2或在屏蔽罩中掺杂1%O2时,只需在被处理的水溶液中掺杂2%乙醇,即可提高5个数量级以上的灭菌效果。同时发现,2%乙醇掺杂可使等离子体中多个放电通道交叠,原因可能是亚稳态Ar*和乙醇气体分子在气液界面的彭宁电离作用。最后,通过对液相活性粒子的检测分析,发现等离子体活化乙醇溶液中的过氧乙酸可能在灭菌过程中起主导作用,而过氧亚硝酸和过氧乙酸可能协同作用增强了灭菌效果。
基于太赫兹时域光谱技术的皮肤水分含量评估
作者：杨帆；余晓；刘黎；王少华；韩升
摘要：太赫兹波以其独特的水分敏感性在生物组织的水分检测中展现出广阔的应用前景,太赫兹时域光谱（THz-TDs）技术与有效介质理论结合可以对皮肤组织的水分含量进行评估,但是对皮肤水分含量的变化进行准确定量感知仍然是尚未解决的问题,需要稳定的评估方法并分析其评估的准确性和影响因素。该文首先根据人体皮肤组织的结构和水分分布规律,定义三种皮肤水分含量梯度分布曲线,提出以反射率为优化目标的皮肤水分定量评估方法。然后采用遗传算法和列文伯格-马夸尔特（LM）相结合的混合算法对目标函数进行优化求解,使用反射式太赫兹测量系统对小手臂皮肤进行阻塞测量实验,得到时域信号和反射率的变化规律。最后讨论不同水分含量初始规律和不同有效介质模型对皮肤水分含量评估准确性的影响。结果表明,角质层水分分布规律和有效介质模型的选取对水分含量的绝对评估结果影响均很大,有效介质模型对水分含量的变化量影响较小,选择确定的水分分布规律和有效介质模型可以准确地评估皮肤水分含量的变化。该文研究可为太赫兹皮肤烧伤和皮肤疾病检测提供理论支撑。
电机及其系统
部分分段Halbach永磁同步电机优化设计
作者：高锋阳；齐晓东；李晓峰；袁成；庄圣贤
摘要：针对高功率密度的永磁同步电机齿槽转矩及永磁体涡流损耗大的问题,设计一种部分分段Halbach结构的表贴式永磁同步电机,永磁体采用Halbach充磁方式,每极分为三段,主磁极采用单侧部分分段,边界磁极与主磁极不等厚且不等宽。采用精确子域模型法,将求解域划分为永磁体、气隙、槽身和槽口四个区域,在二维极坐标下计算电机空载气隙磁通密度及齿槽转矩。建立10极12槽三维电机模型进行电磁仿真分析。结果表明,部分分段Halbach结构降低了永磁体涡流损耗、齿槽转矩及永磁体体积。同时,在有限元应力场中建立三维永磁同步电机求解模型,求得等效应力和总变形,确保部分分段结构永磁体的机械强度维持在允许范围内。
高频脉振信号注入永磁同步电机无滤波器初始位置辨识方法
作者：于安博；刘利；阚志忠；张纯江
摘要：针对传统高频信号注入永磁同步电机转子初始位置辨识方法中滤波环节产生的相移影响最终辨识精度的问题,提出一种无滤波器高频脉振信号转子初始位置辨识方法。该方法较传统利用低通滤波器分离高频信号分量方法,改进为利用估计直轴和估计交轴响应电流信号进行解调,去除高频分量,对解调后的信号进行锁相,辨识出转子初始位置。提出利用磁路饱和效应对转子磁极极性进行辨识的方法,提高磁极极性辨识准确性。最后在永磁同步电机矢量控制平台验证了该方法的可行性。
电力电子
高压大电流（4500V/600A）IGBT芯片研制
作者：刘国友；黄建伟；覃荣震；朱春林
摘要：提高绝缘栅双极晶体管（IGBT）单芯片电流容量,对减小封装器件芯片并联数、简化封装结构、改善芯片均流至关重要。该文基于高压、大电流、高可靠性IGBT应用需求,通过高压IGBT芯片坚强元胞设计及其协同控制技术实现了元胞之间的开关同步,通过光刻拼版技术解决大尺寸芯片的工艺制造,通过单芯片压接封装验证了大尺寸芯片设计及其性能,探索出一条大尺寸IGBT芯片设计、制造与验证的技术路径。研究开发了全球第一片42mm×42mm大尺寸高压IGBT芯片,攻克了高压IGBT芯片内部大规模元胞集成及其均流控制的技术难题,首次实现了4500V/600A单芯片功率容量,具备优良的动静态特性和更宽的安全工作区,并可以显著提高IGBT封装功率密度与可靠性。
V2控制Cuk变换器建模与瞬态性能分析
作者：周国华；谭伟；周述晗；王悦；毛诗琴
摘要：将具有快速瞬态响应的V2控制技术应用于Cuk变换器,分析了V2控制Cuk变换器工作于电感电流连续导电模式（CCM）的原理。利用时间平均等效建模方法,推导包含输出电容等效串联电阻（ESR）的CCM Cuk变换器主电路传递函数。在此基础上,建立V2控制和峰值电流控制CCM Cuk变换器的精确小信号模型,详细推导控制-输出传递函数及输出阻抗,并从频域角度对比分析V2控制和峰值电流控制CCM Cuk变换器的瞬态特性。建立V2控制和峰值电流控制CCM Cuk变换器的时域仿真模型和实验电路,通过仿真和实验对比分析两种变换器的稳态和瞬态性能。研究结果表明：V2控制与峰值电流控制CCM Cuk变换器具有相同的稳态性能;相比于峰值电流控制,V2控制CCM Cuk变换器具有更快的负载响应速度。
一种三电平中点钳位变流器改进型载波反相层叠脉宽调制策略
作者：高瞻；李耀华；葛琼璇；赵鲁；王珂
摘要：三电平中点钳位变流器载波反相层叠脉宽调制（PODPWM）策略可降低共模电压,但其存在相电压两电平跳变（TLJ）和难以添加中点电位平衡控制策略的缺陷。为解决以上缺陷,该文首先分析PODPWM的基本原理及其等效的空间矢量序列。在此基础上,通过对调制波叠加特定零序分量并在调制波采样值过零点处选择使用特定方向的三角载波,得到可防止TLJ的改进型PODPWM（IPODPWM）及其中点电位平衡控制策略。最后推导IPODPWM作用下的共模电压、直流电压利用率、相电压频谱和开关频率,并设计基于IPODPWM的同步调制方法。仿真和实验结果表明,所提IPODPWM能够避免相电压两电平跳变并控制中点电位平衡,且具有共模电压小、直流电压利用率高的优点。
虚拟惯性控制的负荷变换器接入弱电网的序阻抗建模与稳定性分析
作者：刘一锋；周小平；洪乐荣；夏海涛；田皓
摘要：负荷虚拟同步机（LVSM）与基于直流侧电容虚拟惯性控制的负荷变换器（DLCVIC-LC）都能增强系统惯性,但也可能在弱电网下发生谐波振荡等交互稳定性问题。该文考虑直流电压控制以及频率耦合的影响,推导三相负荷变换器的序阻抗计算通式,并据此建立LVSM以及DLCVIC-LC的精确序阻抗模型,进而对比分析两者的序阻抗特性。分析发现LVSM的正序阻抗基本呈感性,与电网的阻抗特性基本一致,不易发生谐波振荡问题;而DLCVIC-LC的正序阻抗在中频段呈负阻容性（相位在-90°~-180°）,容易在弱电网中引发谐波振荡问题。此外,该文基于所建序阻抗模型和Nyquist稳定判据分析电网阻抗及控制参数对两种负荷变换器并网系统稳定性的影响。最后,通过实验验证了该文分析的正确性。
高电压与放电
闪电连接高度对地面电场波形的影响
作者：周蜜；丁文汉；王建国；蔡力；樊亚东
摘要：传统回击模型认为回击从地面始发往云层发展,最新针对闪电连接过程的观测事实表明,闪电的先导连接过程发生在地面以上高度,先导连接后闪电连接高度处会产生上行回击电流和下行回击电流,并沿通道分别向云层和地面发展。该文提出考虑闪电连接高度的回击发展模型,计及在连接高度处的回击电流双向传输模式,利用该模型计算分析距闪电通道不同距离（50km、5km、50m）的地面电场。结果发现,地面电场波形受回击电流波前陡度的影响,下行回击的存在可能导致电场强度波形在上升阶段出现尖锐的初始尖峰。用电场初始尖峰过冲百分比来描述电场尖峰过冲程度,进一步分析连接高度、回击电流波前陡度和下行回击速度对电场初始尖峰过冲程度的影响,发现随着闪电连接高度的增加,电场初始尖峰过冲增大,持续时间增加;回击电流波前陡度增大,电场初始尖峰过冲增大;下行回击速度增大,电场初始尖峰过冲增大,但持续时间缩短。10m内较低闪电连接高度下,波前陡度为20~60kA/μs的电流在下行回击速度大范围变化下,电场强度波形中无明显初始尖峰。相比传统回击发展模型,考虑闪电连接高度回击发展模型的地面电场计算结果与观测事实更吻合,揭示了闪电连接高度对地面电场初始尖峰形成的影响机制。
基于三维熵距和熵空间的航空电弧故障检测与分类技术
作者：崔芮华；李泽；佟德栓
摘要：鉴于常用的时频域分析方法在航空电弧故障检测中的局限性,同时为避免单特征量的偶然性,该文提出利用三维熵距的方法实现三种信息熵的特征融合,为减少特征融合带来的噪声与冗余,利用主元分析（PCA）故障检测技术以实现特征矩阵的降维处理。分别分析小波能量熵、功率谱熵、样本熵以及三种信息熵的三维熵距在电弧故障发生前后的特征差异。利用PCA故障检测技术将特征矩阵降维处理,同时给出各试验负载下的PCA的监测统计量T2和平方预测误差（SPE）及其各自的控制限,通过电弧故障发生前后的T2和SPE值与各自的控制限的比较,实现航空交流电弧故障的检测。分析结果表明,该方法结合了各特征量的优势,不需要人工设置阈值,能够较为准确地判别电弧故障的发生。最后利用三维熵空间,给出几种典型的电弧故障类型的分类方法。在实现电弧故障检测的同时,给出电弧故障的类型,能够更加有效地对不同电弧故障的发生做出有针对性的应对。