东南大学程明团队特稿：电机气隙磁场调制行为及其转矩分析
程明，博士，东南大学首席教授、博士生导师，IEEE Fellow, IET Fellow。现任东南大学风力发电研究中心主任、东南大学先进电机与电力电子集成系统研究所所长、东南大学学术委员会委员、江苏省新能源汽车电机及驱动系统工程实验室主任。
30多年来，主持承担国家自然科学基金重大项目、国家973计划课题、国家863计划项目等课题60余项，发表论文400余篇（SCI收录220余篇）；主编《微特电机及系统》、《可再生能源发电技术》教材，出版《定子永磁无刷电机理论、设计与控制》、《电动汽车的新型驱动技术》等著作，应Springer出版社邀请参编《Encyclopedia of Sustainability Science and Technology》，应Wiley出版社邀请参编《Encyclopedia of Automotive Engineering》并任第三卷编辑；获授权中国发明专利130余件、PCT专利3件、欧洲专利1件。
获国家技术发明二等奖、教育部自然科学一等奖、江苏省科学技术一等奖、中国机械工业科学技术一等奖等学术奖励，和江苏省“333高层次人才培养工程”中青年科技领军人才、优秀科技工作者、“六大人才高峰”学术带头人、江苏省十大优秀专利发明人、中达学者以及江苏省专利发明人奖等荣誉称号。被聘为IEEE IAS Distinguished Lecturer in 2015/2016；享受国务院政府特殊贡献津贴。
文宏辉，博士研究生，研究方向为磁场调制电机的分析、设计及优化。曾参与国家自然科学基金重大国际（地区）合作研究项目、科技部973计划重点基础研究计划，现参与国家自然科学基金重大项目，发表SCI、EI论文5篇，申请国家发明专利5项，曾获2017年度江苏省普通高等学校本专科优秀毕业设计一等奖，2017年IEEE IAS Myron Zucker Undergraduate Student Design Contest二等奖，2019年江苏省三好学生。
江苏省电机与电力电子联盟（JEMPEL）是由IEEE Fellow、东南大学首席教授程明领衔，东南大学电气工程学院12名专任教师为核心，100余名博士后和博士、硕士研究生为骨干的科研团队，研究领域涵盖电机与电力电子及其在新能源发电、电动汽车、轨道交通、伺服系统等领域的应用。
本文基于“电机磁场调制理论”定义了广义磁场调制电机同步调制与异步调制行为及其同步转矩与异步转矩分量，并就其关键的差异分别进行对比、分析并举例阐明，阐述了同步/异步调制与同步/异步转矩分量的辩证关系。
基于上述理论分析及定义，研究无刷双馈感应电机可能的运行模式、存在条件及转矩分量构成，总结单馈同步模式下无刷双馈感应电机与电励磁同步电机的异同；分析多层磁障与短路线圈复合转子无刷双馈电机拓扑结构，定性描述辅助短路线圈在磁场调制行为中的作用，定义调制算子进而定量讨论复合转子对磁场耦合能力、平均电磁转矩等方面可能带来的有益影响；并对简单凸极类磁场调制电机的调制行为及转矩特性进行统一描述。
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190255
近年来，基于磁场调制原理的新型拓扑结构电机，能够利用额外有效谐波磁场使得平均转矩得到提升，故其主电磁转矩中可能包含多个转矩分量。以简单凸极类磁场调制电机为例，该类电机虽然主要利用异步调制行为，但却能够生成同步转矩分量，调制行为与转矩成分的关系错综复杂、较难理解；另一方面，这类电机的调制行为与转矩特性具有相通性，因此可以统一进行归纳描述。
而无刷双馈电机转子包括短路线圈、简单凸极、多层磁障（径向及轴向）等多种转子结构，是磁场调制电机重要一员，其本质是一类具有两个交流电气端口和一个公共机械端口的新型复合电机。由于无刷双馈电机独特的复合特性，两个交流电气端口不同方式供电时可以运行在多种模式下，对应不同的运行模式、转子结构，无刷双馈电机电磁转矩成分可能截然不同，其调制行为与转矩成分的关系更加复杂。因此，有必要对磁场调制行为与转矩成分进行定义分析，并归纳两者辩证关系，为分析广义磁场调制电机的调制行为及电磁特性提供一种新思路。
根据电机气隙磁场调制统一理论，基本电机单元可规格化为“励磁源—调制器—滤波器”三要素的级联。依初始励磁源与调制器的相对状态，可将调制行为定义为同步调制与异步调制，若调制器与励磁源存在相对运动，则为异步调制；若两者保持相对静止，则为同步调制。
常见的异步调制行为有磁通反向永磁电机凸极转子的异步调制行为等，如图1a所示；常见的同步调制行为有内嵌式永磁同步电机凸极转子的同步调制行为等，其调制结构如图1b所示。
图1 常见的磁场调制行为
同步转矩与异步转矩分量的定义仅取决于建立该转矩分量的磁场来源及电机转速状态。若某转矩分量的生成机理如图2a所示，由同一磁场来源建立，且转子与该磁场源作相对运动，即转子转速与该磁场同步速不相等，则该转矩为异步转矩；若某转矩分量由两个独立来源的极对数相同的磁场反应建立，且转子转速与两个磁场源的等效同步速相等，则该转矩为同步转矩，如图2b所示。
图2 同步转矩与异步转矩机理图示
转矩成分性质与调制行为有关，调制行为指的是能改变初始磁动势幅值和空间频谱分布的主调制行为，具体分析如下：
（1）同步调制生成同步转矩分量。以图1b所示的内嵌式永磁同步电机为例，其包含永磁励磁磁场、定子电枢磁场两个独立的磁场源；定子凸极性可以忽略不计，故为单位调制；初始励磁源与凸极转子保持相对静止，其调制行为是同步调制；两套磁场极对数相同并保持相对静止，且转子转速恒等于定子电枢绕组建立的旋转磁场同步速，故该内嵌式永磁同步电机仅包含一个同步转矩分量。
（2）异步调制生成同步转矩分量。以图1a所示的磁通反向永磁电机为例，定子凸极的同步调制行为仅改变静态永磁励磁磁场谐波幅值，而不影响其频谱分布；另一方面，由于励磁和电枢磁场极对数并不相等，则要求转子运行在两个磁场的等效同步速下，从而调制励磁磁场与调制电枢磁场能够相互作用产生平均电磁转矩。显然，磁通反向永磁电机转子凸极对位于定子的永磁励磁源为异步调制，且主电磁转矩满足同步转矩定义，故异步调制可以生成同步转矩分量。
（3）异步调制生成异步转矩分量。参考图2b，以传统鼠笼感应电机为例，它仅包含一个定子磁场源，其主电磁转矩是由定子基波旋转磁场Bf与由该磁场感应的转子电流所建立的转子基波磁场B′f相互作用所产生，其本质是由同一磁场源建立而成；Bf与B′f极对数相同，且无论转子实际转速是多少，B′f在空间相对于定子的转速总等于Bf的同步转速，因而两者能够互相反应产生平均转矩；转子此刻相对于定子绕组建立的磁场作相对运动，即转子转速与定子旋转磁场同步速不相等，为异步运行（调制），故鼠笼感应电机仅包含一个异步转矩分量。
由于无刷双馈电机独特的复合特性，它可以运行在多种不同的模式下，如简单异步模式、级联异步模式、单馈同步模式、双馈同步模式等。单馈同步模式下无刷双馈感应电机与电励磁同步电机具有一定的相似性，主要体现在：
（1）磁场架构相同：两个电气端口均一套直流供电励磁，一套交流供电提供电枢磁场。
（2）调磁方式类似：该模式下无刷双馈感应电机可以如电励磁同步电机施加励磁、调节功率因数，其可调量只有电流幅值，故一般只能对无功功率进行调节。
（3）同步转矩分量为主：无刷双馈感应电机与电励磁同步电机均由两套独立磁场源生成转矩，且转子转速运行于等效同步速，满足生成同步转矩的条件。另一方面，当无刷双馈感应电机的PW和CW端电压给定时，忽略定子绕组电阻和漏电感，转子漏阻抗与转矩峰值成反比，且转子漏抗与转子电阻的比值影响异步转矩分量与同步转矩分量之间的比例。其比值越大，转子漏阻抗角越接近π/2，异步分量所占比例越小。极限情况下，转子电阻为零，异步转矩分量将不出现在转矩表达式中，仅包含同步转矩分量。
无刷双馈感应电机与电励磁同步电机也存在差异性，体现在：
（1）无刷双馈感应电机可实现无刷化：无刷双馈感应电机通过调制方式实现无刷，在单馈同步模式下转子运行于亚自然同步速，能够建立PW和CW的单频关系。若无刷双馈感应电机运行于PW同步速或CW同步速，则不能正常起动工作，这也能够证明无刷双馈感应电机为异步调制行为主导的磁场调制电机，与同步电机工作原理存在本质差异。
（2）调制行为不同：电励磁同步电机转子调制器与励磁源相对静止，为同步调制，而无刷双馈感应电机为异步调制行为。
（3）转矩分量成分不同：电励磁同步电机仅包含一个同步转矩分量，不包含异步转矩分量；而无刷双馈感应电机分别包含两个同步转矩和异步转矩分量。
在径向叠片转子铁心中加入磁障层，并在构成的磁障式转子中添加辅助短路线圈，便构成了多层磁障和短路线圈结合的复合转子，其拓扑结构如图3所示。复合转子利用短路线圈绕组和多层磁障转子的双重调制增强转子的磁场转换能力，由于两个调制器与初始励磁磁动势均存在相对运动，且短路线圈调制器发挥磁场调制作用的基础就是转子运行在异步速，故该复合转子无刷双馈电机属于异步调制行为。
故复合转子本质上是利用多层磁障和短路线圈的共同异步调制行为，相比普通多层磁障转子无刷双馈增加了一套短路线圈调制器，从而能够提升相应的磁场转换系数，增强磁场转换能力即改善磁场调制效果，从而增加定子绕组电感幅值，增大有效气隙磁通密度幅值，提升相应调制磁负荷幅值，增加平均转矩输出。
图3 复合转子无刷双馈电机拓扑结构
磁通切换永磁电机可认为是无刷双馈电机的一种特殊情形，即永磁体阵列被能够产生相同磁动势分布的单相绕组所代替，此时磁通切换永磁电机等效为一台双凸极无刷双馈电机，其CW为单相集中绕组、PW为分数槽集中绕组，电机始终工作在自然同步转速。
磁通切换永磁电机等简单凸极磁场调制电机磁场调制行为和转矩成分可描述为：
（1）永磁体阵列建立理想方波的初始励磁磁动势。
（2）初始励磁磁动势被定（转）子凸极同步调制，同步调制的作用使得基波幅值约变为原来的一半，但谐波的幅值都有明显增加，且被定（转）子齿调制后的励磁磁动势分布只包含一类谐波分量，其极对数为永磁体阵列极对数的奇数倍。
（3）随后励磁磁动势被转（定）子凸极异步调制，调制磁动势在等效气隙中产生一系列谐波，且包含三类谐波分量，其极对数分别为vp、vp+lNR(S)T和vp−lNR(S)T。
（4）电枢绕组会选择性地与有效磁场谐波分量反应产生感应电动势，当与感应电动势频率相同的对称电流通入电枢绕组时便产生电磁转矩。
（5）由于简单凸极类磁场调制电机同时存在同步、异步调制行为，其中同步调制行为仅仅改变初始励磁磁动势的幅值，而不影响气隙磁场频谱分布；而正是由于异步调制行为的存在，使得转子运行在励磁、电枢磁场等效同步速下，相互作用产生平均电磁转矩。
综上所述，本文首次深入分析并揭示了广义磁场调制电机（包含传统电机及新型磁场调制电机）的磁场调制行为与转矩成分的复杂关系，并从气隙磁场调制的角度解释了传统电机与新型磁场调制电机的内在联系，揭示了新型磁场调制电机相比传统电机转矩提升的本质原因。
这不仅有利于深入理解电机磁场调制行为及转矩产生机理，更利于进一步探索不同调制器搭配组合的可能性，对比调制器之间互换之后的磁场调制效果，理解调制器演化形式与单独作用机理，指导电机系统的拓扑创新与综合设计等，从而促进相关专业人士理解并掌握种类繁多的新型电机的分析和应用。
本文定义、分析、归纳了广义磁场调制电机中的调制行为与转矩成分，并指出同步/异步调制均能够分别生成同步转矩分量，而异步调制可以生成异步转矩分量。
基于此，研究了典型磁场调制电机的磁场调制行为和转矩成分。分析了无刷双馈感应电机可能的运行模式、存在条件及转矩构成，归纳无刷双馈感应电机与电励磁同步电机的相似性及差异性，从磁场调制行为和转矩成分的角度研究了调制类电机和传统电机的内在联系。总结了磁通切换永磁电机与无刷双馈电机的相似性，并统一描述了以磁通切换永磁电机为代表的简单凸极类磁场调制电机的调制行为及转矩特性。
另一方面，本文定性分析了复合转子无刷双馈拓扑结构和附加短路线圈在磁场调制行为中发挥的作用，指出该电机调制算子可叠加的本质原因，进而定量分析了复合转子对磁场耦合作用、电感特性、转矩密度等方面可能带来的有益影响。
然而，如何通过合理分配混合式结构中几种调制器之间的比例，充分利用复合气隙磁场调制行为增强调制器磁场耦合能力，从而改善磁场调制效果，以使电机达到最佳电磁性能，是一个重要的理论问题，值得继续深入研究。
总之，本文基于磁场调制行为分析调制器之间复合调制的可能性，对理解和揭示调制器演化形式与单独作用机理具有深远意义，为指导电机系统的拓扑创新、性能分析、运行控制与综合设计奠定了理论基础。
程明, 文宏辉, 曾煜, 姜永将. 电机气隙磁场调制行为及其转矩分析[J]. 电工技术学报, 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.