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(xiàn)任東南大學風力發(fā)電研究中心主任、東南大學先進電機與電力電子集成系統(tǒng)研究所所長、東南大學學術(shù)委員會委員、江蘇省新能源汽車電機及驅(qū)動系統(tǒng)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(fā)表論文400余篇（SCI收錄220余篇）；主編《微特電機及系統(tǒng)》、《可再生能源發(fā)電技術(shù)》教材，出版《定子永磁無刷電機◆理論、設(shè)計與控制》、《電動汽車的新型驅(qū)動技術(shù)》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(quán)中國發(fā)明專利130余件、PCT專利3件、歐洲專利1件。

獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎、教育部自然科學一等獎、江蘇省科學技術(shù)一等獎、中國機械工業(yè)科學技術(shù)一等獎等學術(shù)獎勵，和江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”中青年科技領(lǐng)軍人才、優(yōu)秀科技工作者、“六大人才高峰”學術(shù)帶頭人、江蘇省十大優(yōu)秀專利發(fā)明人、中達學者以及江蘇省專利發(fā)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(diào)制電機的分析、設(shè)計及優(yōu)化。曾參與國家自然科學基金重大國際（地區(qū)）合作研究項目、科技部973計劃重點基礎(chǔ)研究計劃，現(xiàn)參與國家自然科學基金重大項目，發(fā)表SCI、EI論文5篇，申請國家發(fā)明專利5項，曾獲2017年度江蘇省普通高等學校本?？苾?yōu)秀畢業(yè)設(shè)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(lián)盟（JEMPEL）是由IEEE Fellow、東南大學首席教授程明領(lǐng)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(lǐng)域涵蓋電機與電力電子及其在新能源發(fā)電、電動汽車、軌道交通、伺服系統(tǒng)等領(lǐng)域的應用。

導語

本文基于“電機磁場調(diào)制理論”定義了廣義磁場調(diào)制電機同步調(diào)制與異步調(diào)制行為及其同步轉(zhuǎn)矩與異步轉(zhuǎn)矩分量，并就其關(guān)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(diào)制與同步/異步轉(zhuǎn)矩分量的辯證關(guān)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(zhuǎn)矩分量構(gòu)成，總結(jié)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(zhuǎn)子無刷雙饋電機拓撲結(jié)構(gòu)，定性描述輔助短路線圈在磁場調(diào)制行為中的作用，定義調(diào)制算子進而定量討論復合轉(zhuǎn)子對磁場耦合能力、平均電磁轉(zhuǎn)矩等方面可能帶來的有益影響；并對簡單凸極類磁場調(diào)制電機的調(diào)制行為及轉(zhuǎn)矩特性進行統(tǒng)一描述。

研究背景

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

而無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子包括短路線圈、簡單凸極、多層磁障（徑向及軸向）等多種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，是磁場調(diào)制電機重要一員，其本質(zhì)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，無刷雙饋電機電磁轉(zhuǎn)矩成分可能截然不同，其調(diào)制行為與轉(zhuǎn)矩成分的關(guān)系更加復雜。因此，有必要對磁場調(diào)制行為與轉(zhuǎn)矩成分進行定義分析，并歸納兩者辯證關(guān)系，為分析廣義磁場調(diào)制電機的調(diào)制行為及電磁特性提供一種新思路。

論文方法及創(chuàng)新點

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

常見的異步調(diào)制行為有磁通反向永磁電機凸極轉(zhuǎn)子的異步調(diào)制行為等，如圖1a所示；常見的同步調(diào)制行為有內(nèi)嵌式永磁同步電機凸極轉(zhuǎn)子的同步調(diào)制行為等，其調(diào)制結(jié)構(gòu)如圖1b所示。

圖1 常見的磁場調(diào)制行為

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

圖2 同步轉(zhuǎn)矩與異步轉(zhuǎn)矩機理圖示

轉(zhuǎn)矩成分性質(zhì)與調(diào)制行為有關(guān)，調(diào)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(diào)制行為，具體分析如下：

（1）同步調(diào)制生成同步轉(zhuǎn)矩分量。以圖1b所示的內(nèi)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(diào)制；初始勵磁源與凸極轉(zhuǎn)子保持相對靜止，其調(diào)制行為是同步調(diào)制；兩套磁場極對數(shù)相同并保持相對靜止，且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒等于定子電樞繞組建立的旋轉(zhuǎn)磁場同步速，故該內(nèi)嵌式永磁同步電機僅包含一個同步轉(zhuǎn)矩分量。

（2）異步調(diào)制生成同步轉(zhuǎn)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(diào)制行為僅改變靜態(tài)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(shù)并不相等，則要求轉(zhuǎn)子運行在兩個磁場的等效同步速下，從而調(diào)制勵磁磁場與調(diào)制電樞磁場能夠相互作用產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩。顯然，磁通反向永磁電機轉(zhuǎn)子凸極對位于定子的永磁勵磁源為異步調(diào)制，且主電磁轉(zhuǎn)矩滿足同步轉(zhuǎn)矩定義，故異步調(diào)制可以生成同步轉(zhuǎn)矩分量。

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

（1）磁場架構(gòu)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(diào)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(diào)節(jié)功率因數(shù)，其可調(diào)量只有電流幅值，故一般只能對無功功率進行調(diào)節(jié)。

（3）同步轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速運行于等效同步速，滿足生成同步轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子漏阻抗與轉(zhuǎn)矩峰值成反比，且轉(zhuǎn)子漏抗與轉(zhuǎn)子電阻的比值影響異步轉(zhuǎn)矩分量與同步轉(zhuǎn)矩分量之間的比例。其比值越大，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電阻為零，異步轉(zhuǎn)矩分量將不出現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩表達式中，僅包含同步轉(zhuǎn)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(xiàn)在：

（1）無刷雙饋感應電機可實現(xiàn)無刷化：無刷雙饋感應電機通過調(diào)制方式實現(xiàn)無刷，在單饋同步模式下轉(zhuǎn)子運行于亞自然同步速，能夠建立PW和CW的單頻關(guān)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(diào)制行為主導的磁場調(diào)制電機，與同步電機工作原理存在本質(zhì)差異。

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

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

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

故復合轉(zhuǎn)子本質(zhì)上是利用多層磁障和短路線圈的共同異步調(diào)制行為，相比普通多層磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋增加了一套短路線圈調(diào)制器，從而能夠提升相應的磁場轉(zhuǎn)換系數(shù)，增強磁場轉(zhuǎn)換能力即改善磁場調(diào)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(diào)制磁負荷幅值，增加平均轉(zhuǎn)矩輸出。

圖3 復合轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機拓撲結(jié)構(gòu)

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(chǎn)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(shù)槽集中繞組，電機始終工作在自然同步轉(zhuǎn)速。

磁通切換永磁電機等簡單凸極磁場調(diào)制電機磁場調(diào)制行為和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)）子凸極同步調(diào)制，同步調(diào)制的作用使得基波幅值約變?yōu)樵瓉淼囊话?，但諧波的幅值都有明顯增加，且被定（轉(zhuǎn)）子齒調(diào)制后的勵磁磁動勢分布只包含一類諧波分量，其極對數(shù)為永磁體陣列極對數(shù)的奇數(shù)倍。
• （3）隨后勵磁磁動勢被轉(zhuǎn)（定）子凸極異步調(diào)制，調(diào)制磁動勢在等效氣隙中產(chǎn)生一系列諧波，且包含三類諧波分量，其極對數(shù)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(chǎn)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(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。
• （5）由于簡單凸極類磁場調(diào)制電機同時存在同步、異步調(diào)制行為，其中同步調(diào)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(diào)制行為的存在，使得轉(zhuǎn)子運行在勵磁、電樞磁場等效同步速下，相互作用產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩。

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

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

結(jié)論

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

基于此，研究了典型磁場調(diào)制電機的磁場調(diào)制行為和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩構(gòu)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(diào)制行為和轉(zhuǎn)矩成分的角度研究了調(diào)制類電機和傳統(tǒng)電機的內(nèi)在聯(lián)系?？偨Y(jié)了磁通切換永磁電機與無刷雙饋電機的相似性，并統(tǒng)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(diào)制電機的調(diào)制行為及轉(zhuǎn)矩特性。

另一方面，本文定性分析了復合轉(zhuǎn)子無刷雙饋拓撲結(jié)構(gòu)和附加短路線圈在磁場調(diào)制行為中發(fā)揮的作用，指出該電機調(diào)制算子可疊加的本質(zhì)原因，進而定量分析了復合轉(zhuǎn)子對磁場耦合作用、電感特性、轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)中幾種調(diào)制器之間的比例，充分利用復合氣隙磁場調(diào)制行為增強調(diào)制器磁場耦合能力，從而改善磁場調(diào)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(xù)深入研究。

總之，本文基于磁場調(diào)制行為分析調(diào)制器之間復合調(diào)制的可能性，對理解和揭示調(diào)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(tǒng)的拓撲創(chuàng)新、性能分析、運行控制與綜合設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。

引用本文

程明, 文宏輝, 曾煜, 姜永將. 電機氣隙磁場調(diào)制行為及其轉(zhuǎn)矩分析[J]. 電工技術(shù)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.