團隊介紹

程明，博士，東南大學首席教授、博士生導師，IEEE Fellow, IET Fellow。現任東南大學風力發電研究中心主任、東南大學先進電機與電力電子集成系統研究所所長、東南大學學術委員會委員、江蘇省新能源汽車電機及驅動系統工程實驗室主任。

30多年來，主持承擔國家自然科學基金重大項目、國家973計劃課題、國家863計劃項目等課題60余項，發表論文400余篇（SCI收錄220余篇）；主編《微特電機及系統》、《可再生能源發電技術》教材，出版《定子永磁無刷電機◆理論、設計與控制》、《電動汽車的新型驅動技術》等著作，應Springer出版社邀請參編《Encyclopedia of Sustainability Science and Technology》，應Wiley出版社邀請參編《Encyclopedia of Automotive Engineering》并任第三卷編輯；獲授權中國發明專利130余件、PCT專利3件、歐洲專利1件。

獲國家技術發明二等獎、教育部自然科學一等獎、江蘇省科學技術一等獎、中國機械工業科學技術一等獎等學術獎勵，和江蘇省“333高層次人才培養工程”中青年科技領軍人才、優秀科技工作者、“六大人才高峰”學術帶頭人、江蘇省十大優秀專利發明人、中達學者以及江蘇省專利發明人獎等榮譽稱號。被聘為IEEE IAS Distinguished Lecturer in 2015/2016；享受國務院政府特殊貢獻津貼。

文宏輝，博士研究生，研究方向為磁場調制電機的分析、設計及優化。曾參與國家自然科學基金重大國際（地區）合作研究項目、科技部973計劃重點基礎研究計劃，現參與國家自然科學基金重大項目，發表SCI、EI論文5篇，申請國家發明專利5項，曾獲2017年度江蘇省普通高等學校本專科優秀畢業設計一等獎，2017年IEEE IAS Myron Zucker Undergraduate Student Design Contest二等獎，2019年江蘇省三好學生。

江蘇省電機與電力電子聯盟（JEMPEL）是由IEEE Fellow、東南大學首席教授程明領銜，東南大學電氣工程學院12名專任教師為核心，多名長江學者、千人等專家為支撐，100余名博士后和博士、碩士研究生為骨干的科研團隊，研究領域涵蓋電機與電力電子及其在新能源發電、電動汽車、軌道交通、伺服系統等領域的應用。

導語

本文基于“電機磁場調制理論”定義了廣義磁場調制電機同步調制與異步調制行為及其同步轉矩與異步轉矩分量，并就其關鍵的差異分別進行對比、分析并舉例闡明，闡述了同步/異步調制與同步/異步轉矩分量的辯證關系。

基于上述理論分析及定義，研究無刷雙饋感應電機可能的運行模式、存在條件及轉矩分量構成，總結單饋同步模式下無刷雙饋感應電機與電勵磁同步電機的異同；分析多層磁障與短路線圈復合轉子無刷雙饋電機拓撲結構，定性描述輔助短路線圈在磁場調制行為中的作用，定義調制算子進而定量討論復合轉子對磁場耦合能力、平均電磁轉矩等方面可能帶來的有益影響；并對簡單凸極類磁場調制電機的調制行為及轉矩特性進行統一描述。

研究背景

近年來，基于磁場調制原理的新型拓撲結構電機，能夠利用額外有效諧波磁場使得平均轉矩得到提升，故其主電磁轉矩中可能包含多個轉矩分量。以簡單凸極類磁場調制電機為例，該類電機雖然主要利用異步調制行為，但卻能夠生成同步轉矩分量，調制行為與轉矩成分的關系錯綜復雜、較難理解；另一方面，這類電機的調制行為與轉矩特性具有相通性，因此可以統一進行歸納描述。

而無刷雙饋電機轉子包括短路線圈、簡單凸極、多層磁障（徑向及軸向）等多種轉子結構，是磁場調制電機重要一員，其本質是一類具有兩個交流電氣端口和一個公共機械端口的新型復合電機。由于無刷雙饋電機獨特的復合特性，兩個交流電氣端口不同方式供電時可以運行在多種模式下，對應不同的運行模式、轉子結構，無刷雙饋電機電磁轉矩成分可能截然不同，其調制行為與轉矩成分的關系更加復雜。因此，有必要對磁場調制行為與轉矩成分進行定義分析，并歸納兩者辯證關系，為分析廣義磁場調制電機的調制行為及電磁特性提供一種新思路。

論文方法及創新點

根據電機氣隙磁場調制統一理論，基本電機單元可規格化為“勵磁源—調制器—濾波器”三要素的級聯。依初始勵磁源與調制器的相對狀態，可將調制行為定義為同步調制與異步調制，若調制器與勵磁源存在相對運動，則為異步調制；若兩者保持相對靜止，則為同步調制。

常見的異步調制行為有磁通反向永磁電機凸極轉子的異步調制行為等，如圖1a所示；常見的同步調制行為有內嵌式永磁同步電機凸極轉子的同步調制行為等，其調制結構如圖1b所示。

圖1 常見的磁場調制行為

同步轉矩與異步轉矩分量的定義僅取決于建立該轉矩分量的磁場來源及電機轉速狀態。若某轉矩分量的生成機理如圖2a所示，由同一磁場來源建立，且轉子與該磁場源作相對運動，即轉子轉速與該磁場同步速不相等，則該轉矩為異步轉矩；若某轉矩分量由兩個獨立來源的極對數相同的磁場反應建立，且轉子轉速與兩個磁場源的等效同步速相等，則該轉矩為同步轉矩，如圖2b所示。

圖2 同步轉矩與異步轉矩機理圖示

轉矩成分性質與調制行為有關，調制行為指的是能改變初始磁動勢幅值和空間頻譜分布的主調制行為，具體分析如下：

（1）同步調制生成同步轉矩分量。以圖1b所示的內嵌式永磁同步電機為例，其包含永磁勵磁磁場、定子電樞磁場兩個獨立的磁場源；定子凸極性可以忽略不計，故為單位調制；初始勵磁源與凸極轉子保持相對靜止，其調制行為是同步調制；兩套磁場極對數相同并保持相對靜止，且轉子轉速恒等于定子電樞繞組建立的旋轉磁場同步速，故該內嵌式永磁同步電機僅包含一個同步轉矩分量。

（2）異步調制生成同步轉矩分量。以圖1a所示的磁通反向永磁電機為例，定子凸極的同步調制行為僅改變靜態永磁勵磁磁場諧波幅值，而不影響其頻譜分布；另一方面，由于勵磁和電樞磁場極對數并不相等，則要求轉子運行在兩個磁場的等效同步速下，從而調制勵磁磁場與調制電樞磁場能夠相互作用產生平均電磁轉矩。顯然，磁通反向永磁電機轉子凸極對位于定子的永磁勵磁源為異步調制，且主電磁轉矩滿足同步轉矩定義，故異步調制可以生成同步轉矩分量。

（3）異步調制生成異步轉矩分量。參考圖2b，以傳統鼠籠感應電機為例，它僅包含一個定子磁場源，其主電磁轉矩是由定子基波旋轉磁場Bf與由該磁場感應的轉子電流所建立的轉子基波磁場B′f相互作用所產生，其本質是由同一磁場源建立而成；Bf與B′f極對數相同，且無論轉子實際轉速是多少，B′f在空間相對于定子的轉速總等于Bf的同步轉速，因而兩者能夠互相反應產生平均轉矩；轉子此刻相對于定子繞組建立的磁場作相對運動，即轉子轉速與定子旋轉磁場同步速不相等，為異步運行（調制），故鼠籠感應電機僅包含一個異步轉矩分量。

由于無刷雙饋電機獨特的復合特性，它可以運行在多種不同的模式下，如簡單異步模式、級聯異步模式、單饋同步模式、雙饋同步模式等。單饋同步模式下無刷雙饋感應電機與電勵磁同步電機具有一定的相似性，主要體現在：

（1）磁場架構相同：兩個電氣端口均一套直流供電勵磁，一套交流供電提供電樞磁場。

（2）調磁方式類似：該模式下無刷雙饋感應電機可以如電勵磁同步電機施加勵磁、調節功率因數，其可調量只有電流幅值，故一般只能對無功功率進行調節。

（3）同步轉矩分量為主：無刷雙饋感應電機與電勵磁同步電機均由兩套獨立磁場源生成轉矩，且轉子轉速運行于等效同步速，滿足生成同步轉矩的條件。另一方面，當無刷雙饋感應電機的PW和CW端電壓給定時，忽略定子繞組電阻和漏電感，轉子漏阻抗與轉矩峰值成反比，且轉子漏抗與轉子電阻的比值影響異步轉矩分量與同步轉矩分量之間的比例。其比值越大，轉子漏阻抗角越接近π/2，異步分量所占比例越小。極限情況下，轉子電阻為零，異步轉矩分量將不出現在轉矩表達式中，僅包含同步轉矩分量。

無刷雙饋感應電機與電勵磁同步電機也存在差異性，體現在：

（1）無刷雙饋感應電機可實現無刷化：無刷雙饋感應電機通過調制方式實現無刷，在單饋同步模式下轉子運行于亞自然同步速，能夠建立PW和CW的單頻關系。若無刷雙饋感應電機運行于PW同步速或CW同步速，則不能正常起動工作，這也能夠證明無刷雙饋感應電機為異步調制行為主導的磁場調制電機，與同步電機工作原理存在本質差異。

（2）調制行為不同：電勵磁同步電機轉子調制器與勵磁源相對靜止，為同步調制，而無刷雙饋感應電機為異步調制行為。

（3）轉矩分量成分不同：電勵磁同步電機僅包含一個同步轉矩分量，不包含異步轉矩分量；而無刷雙饋感應電機分別包含兩個同步轉矩和異步轉矩分量。

在徑向疊片轉子鐵心中加入磁障層，并在構成的磁障式轉子中添加輔助短路線圈，便構成了多層磁障和短路線圈結合的復合轉子，其拓撲結構如圖3所示。復合轉子利用短路線圈繞組和多層磁障轉子的雙重調制增強轉子的磁場轉換能力，由于兩個調制器與初始勵磁磁動勢均存在相對運動，且短路線圈調制器發揮磁場調制作用的基礎就是轉子運行在異步速，故該復合轉子無刷雙饋電機屬于異步調制行為。

故復合轉子本質上是利用多層磁障和短路線圈的共同異步調制行為，相比普通多層磁障轉子無刷雙饋增加了一套短路線圈調制器，從而能夠提升相應的磁場轉換系數，增強磁場轉換能力即改善磁場調制效果，從而增加定子繞組電感幅值，增大有效氣隙磁通密度幅值，提升相應調制磁負荷幅值，增加平均轉矩輸出。

圖3 復合轉子無刷雙饋電機拓撲結構

磁通切換永磁電機可認為是無刷雙饋電機的一種特殊情形，即永磁體陣列被能夠產生相同磁動勢分布的單相繞組所代替，此時磁通切換永磁電機等效為一臺雙凸極無刷雙饋電機，其CW為單相集中繞組、PW為分數槽集中繞組，電機始終工作在自然同步轉速。

磁通切換永磁電機等簡單凸極磁場調制電機磁場調制行為和轉矩成分可描述為：

• （1）永磁體陣列建立理想方波的初始勵磁磁動勢。
• （2）初始勵磁磁動勢被定（轉）子凸極同步調制，同步調制的作用使得基波幅值約變為原來的一半，但諧波的幅值都有明顯增加，且被定（轉）子齒調制后的勵磁磁動勢分布只包含一類諧波分量，其極對數為永磁體陣列極對數的奇數倍。
• （3）隨后勵磁磁動勢被轉（定）子凸極異步調制，調制磁動勢在等效氣隙中產生一系列諧波，且包含三類諧波分量，其極對數分別為vp、vp+lNR(S)T和vp?lNR(S)T。
• （4）電樞繞組會選擇性地與有效磁場諧波分量反應產生感應電動勢，當與感應電動勢頻率相同的對稱電流通入電樞繞組時便產生電磁轉矩。
• （5）由于簡單凸極類磁場調制電機同時存在同步、異步調制行為，其中同步調制行為僅僅改變初始勵磁磁動勢的幅值，而不影響氣隙磁場頻譜分布；而正是由于異步調制行為的存在，使得轉子運行在勵磁、電樞磁場等效同步速下，相互作用產生平均電磁轉矩。

綜上所述，本文首次深入分析并揭示了廣義磁場調制電機（包含傳統電機及新型磁場調制電機）的磁場調制行為與轉矩成分的復雜關系，并從氣隙磁場調制的角度解釋了傳統電機與新型磁場調制電機的內在聯系，揭示了新型磁場調制電機相比傳統電機轉矩提升的本質原因。

這不僅有利于深入理解電機磁場調制行為及轉矩產生機理，更利于進一步探索不同調制器搭配組合的可能性，對比調制器之間互換之后的磁場調制效果，理解調制器演化形式與單獨作用機理，指導電機系統的拓撲創新與綜合設計等，從而促進相關專業人士理解并掌握種類繁多的新型電機的分析和應用。

結論

本文定義、分析、歸納了廣義磁場調制電機中的調制行為與轉矩成分，并指出同步/異步調制均能夠分別生成同步轉矩分量，而異步調制可以生成異步轉矩分量。

基于此，研究了典型磁場調制電機的磁場調制行為和轉矩成分。分析了無刷雙饋感應電機可能的運行模式、存在條件及轉矩構成，歸納無刷雙饋感應電機與電勵磁同步電機的相似性及差異性，從磁場調制行為和轉矩成分的角度研究了調制類電機和傳統電機的內在聯系。總結了磁通切換永磁電機與無刷雙饋電機的相似性，并統一描述了以磁通切換永磁電機為代表的簡單凸極類磁場調制電機的調制行為及轉矩特性。

另一方面，本文定性分析了復合轉子無刷雙饋拓撲結構和附加短路線圈在磁場調制行為中發揮的作用，指出該電機調制算子可疊加的本質原因，進而定量分析了復合轉子對磁場耦合作用、電感特性、轉矩密度等方面可能帶來的有益影響。

然而，如何通過合理分配混合式結構中幾種調制器之間的比例，充分利用復合氣隙磁場調制行為增強調制器磁場耦合能力，從而改善磁場調制效果，以使電機達到最佳電磁性能，是一個重要的理論問題，值得繼續深入研究。

總之，本文基于磁場調制行為分析調制器之間復合調制的可能性，對理解和揭示調制器演化形式與單獨作用機理具有深遠意義，為指導電機系統的拓撲創新、性能分析、運行控制與綜合設計奠定了理論基礎。

引用本文

程明, 文宏輝, 曾煜, 姜永將. 電機氣隙磁場調制行為及其轉矩分析[J]. 電工技術學報, 2020, 35(5): 921-930. Cheng Ming, Wen Honghui, Zeng Yu, Jiang Yongjiang. Analysis of Airgap Field Modulation Behavior and Torque Component in Electric Machines. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(5): 921-930.