电机气隙磁场调制统一理论及应用

电机气隙磁场调制统一理论是首个由中国学者创立的电机新理论；这一电机理论的新突破，不仅为电机的分析计算提供了新思路和新方法，而且给电机拓扑创新提供了一般性原则和方法。
                                                                                                              唐任远
                                                                                                              中国工程院院士

电机磁场调制统一理论可以与旋转磁场理论、双反应理论等经典电机学理论相媲美，它统一了包括直流、交流、凸极、隐极、正弦波驱动、方波驱动电机等全类型电机的定性分析与定量计算。
                                                                                                              陈清泉
                                                                                                              中国工程院院士，英国皇家工程院士

电机磁场调制统一理论解决了长期困扰学术界的不同极对数磁场产生转矩的机理难题；基于气隙磁场调制理论，可以进一步认识FRPM电机的工作原理。
                       
                                                                                                             Zhu Z. Q.（诸自强）
                                                                                                             英国皇家工程院院士，IEEE Fellow

本书系统地介绍了电机气隙磁场调制统一理论及应用方法, 是作者团队十多年研究成果的提炼和总结。 在揭示气隙磁场调制现象普遍性的基础上, 完整地阐述了电机气隙磁场调制统一理论, 结合实例介绍了如何利用磁场调制理论来分析计算电机性能, 给出了指导电机拓扑创新的一般性原则和方法, 并通过多个新型电机实例予以佐证。
本书首次将电机气隙磁场调制现象抽象化和理论化, 创立了电机气隙磁场调制理论, 为电机的分析和计算提供了全新的视角和方法, 丰富了电机学理论, 是一本难得的佳作。

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。2002-2009年任东南大学电气工程学院院长，2011年1-4月在美国威斯康星大学麦迪逊分校任访问教授，2012年6-7月、2015年8月在丹麦奥尔堡大学任访问教授，2016年7月-2019年6月任英国Aston大学客座教授。兼任国家自然科学基金委员会第12、13届专家评审组成员、中国机械工业教育协会常务理事、IEEE工业应用学会（IAS）和磁学会（Magnetics）执委、IEEE IAS-PES南京联合分会创始主席、江苏省汽车工程学会新能源汽车专业委员会主任等学术职务，是《Energy Conversion and Management》（SCI一区期刊）、《IEEJ Journal of Industry Applications》、《中国电机工程学报》、《电工技术学报》等期刊编委。曾担任第八届电机与系统国际会议（ICEMS2005）程序委员会主席、ICEMS2008程序委员会副主席、LIDA2013编辑出版委员会主席等。30多年来，主持承担包括国家973计划课题、国家863计划项目、国家自然科学基金重点项目和重大国际（地区）合作研究项目等课题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《电动汽车的新型驱动技术》、《电机的混沌驱动及其应用》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、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。所指导的学生论文获全国优博提名奖2篇，江苏省优秀博士学位论文6篇、优秀硕士论文2篇，江苏省优秀本科生毕业设计一等奖2篇、二等奖1篇，IEEE IAS博士学位论文竞赛一等奖1篇、三等奖2篇；被聘为IEEE IAS Distinguished Lecturer in 2015/2016；享受国务院政府特殊工献津贴。

序言
前言
第 1 章　 绪论 1 
　1. 1　 电机发展历史回顾 1
　1. 2　 经典电机学理论的局限性 4 
　 　1. 2. 1　 电机理论呈现碎片化 4 ……………………………………………………
　 　1. 2. 2　 原理分析存在局限性 5 ……………………………………………………
　 　1. 2. 3　 性能分析缺乏统一性 5 ……………………………………………………
　1. 3　 磁场调制电机及其理论的发展概况 6 …………………………………………
　1. 4　 本书的总体思路与框架 9 ………………………………………………………
　 参考文献 10 ……………………………………………………………………………
第 2 章　 电机中的气隙磁场调制现象 16 ………………………………………………
　2. 1　 磁场调制式磁齿轮 16 ……………………………………………………………
　 　2. 1. 1　 基本结构与工作原理 17 ……………………………………………………
　 　2. 1. 2　 磁场调制效应的定性分析 19 ………………………………………………
　 　2. 1. 3　 其他类型的磁齿轮 22 ………………………………………………………
　2. 2　 外转子聚磁式同轴磁齿轮结构及静态特性 24 …………………………………
　 　2. 2. 1　 外转子聚磁式同轴磁齿轮结构 25 …………………………………………
　 　2. 2. 2　 静态特性分析 25 ……………………………………………………………
　2. 3　 磁齿轮复合电机 30 ………………………………………………………………
　 　2. 3. 1　 磁齿轮复合电机拓扑结构 31 ………………………………………………
　 　2. 3. 2　 磁齿轮复合电机比较分析 32 ………………………………………………
　2. 4　 外转子聚磁式磁场调制永磁电机 37 ……………………………………………
　 　2. 4. 1　 FCFMPM 电机基本结构 37 …………………………………………………
　 　2. 4. 2　 FCFMPM 电机特性分析 38 …………………………………………………
Ⅶ 　　　
　 　2. 4. 3　 FCFMPM 电机主要尺寸关系式 53 …………………………………………
　 　2. 4. 4　 FCFMPM 样机设计与实验验证 55 …………………………………………
　 　2. 4. 5　 与商业化小型风力发电机的比较 60 ………………………………………
　2. 5　 初级永磁型游标直线电机 61 ……………………………………………………
　 　2. 5. 1　 LPPMV 电机的基本结构及运行原理 61 …………………………………
　 　2. 5. 2　 LPPMV 电机有限元计算 66 ………………………………………………
　 　2. 5. 3　 LPPMV 电机实验验证 73 …………………………………………………
　2. 6　 磁通切换永磁电机 75 ……………………………………………………………
　 　2. 6. 1　 FSPM 电机磁场调制机理 75 ………………………………………………
　 　2. 6. 2　 FSPM 电机电枢反应磁场调制机理 77 ……………………………………
　 　2. 6. 3　 FSPM 电机转矩产生机理 81 ………………………………………………
　2. 7　 双馈电机 82 ………………………………………………………………………
　 　2. 7. 1　 双馈电机的分类及工作原理 82 ……………………………………………
　 　2. 7. 2　 级联式无刷双馈电机 84 ……………………………………………………
　 　2. 7. 3　 调制式无刷双馈电机 85 ……………………………………………………
　 　2. 7. 4　 现有无刷双馈电机的共性特点与个性差别 91 ……………………………
　2. 8　 电机原理的统一性 92 ……………………………………………………………
　 参考文献 94 ……………………………………………………………………………
第 3 章　 电机气隙磁场调制统一理论 99 ………………………………………………
　3. 1　 概述 99 ……………………………………………………………………………
　3. 2　 经典绕组函数法及其局限性 100 ………………………………………………
　 　3. 2. 1　 绕组磁动势分析 100 ………………………………………………………
　 　3. 2. 2　 经典绕组函数法 102 ………………………………………………………
　 　3. 2. 3　 经典绕组函数法的局限性 104 ……………………………………………
　3. 3　 电机三要素 107 …………………………………………………………………
　 　3. 3. 1　 励磁源 108 …………………………………………………………………
　 　3. 3. 2　 调制器 109 …………………………………………………………………
　 　3. 3. 3　 滤波器 110 …………………………………………………………………
　3. 4　 三要素的数学表征 110 …………………………………………………………
　 　3. 4. 1　 源磁动势 110 ………………………………………………………………
　 　3. 4. 2　 调制算子 114 ………………………………………………………………
　 　3. 4. 3　 滤波器 122 …………………………………………………………………
　 　3. 4. 4　 电机统一模型 124 …………………………………………………………
　3. 5　 统一转矩分析 126 ………………………………………………………………
　 　3. 5. 1　 统一转矩方程 126 …………………………………………………………
Ⅷ 　　　
　 　3. 5. 2　 绕线转子凸极同步电机 128 ………………………………………………
　 　3. 5. 3　 同步磁阻电机 130 …………………………………………………………
　 　3. 5. 4　 笼型感应电机 131 …………………………………………………………
　 　3. 5. 5　 无刷双馈磁阻电机 132 ……………………………………………………
　 　3. 5. 6　 无刷双馈感应电机 133 ……………………………………………………
　 　3. 5. 7　 磁通切换电机 134 …………………………………………………………
　 　3. 5. 8　 聚磁式场调制永磁电机 (永磁游标电机) 143 …………………………
　 参考文献 146 ……………………………………………………………………………
第 4 章　 磁场调制行为分析 149 ………………………………………………………
　4. 1　 概述 149 …………………………………………………………………………
　4. 2　 电机内的磁场调制行为与转矩成分 149 ………………………………………
　 　4. 2. 1　 同步调制和异步调制行为 150 ……………………………………………
　 　4. 2. 2　 同步转矩和异步转矩分量 151 ……………………………………………
　4. 3　 磁场调制行为及转矩成分的关系 152 …………………………………………
　 　4. 3. 1　 常见电机拓扑的磁场调制描述 152 ………………………………………
　 　4. 3. 2　 常见电机结构转矩成分解析 159 …………………………………………
　 　4. 3. 3　 实例分析———无刷双馈电机 161 …………………………………………
　4. 4　 不同调制器的磁场调制行为分析对比 168 ……………………………………
　 　4. 4. 1　 凸极磁阻调制器磁场调制行为 168 ………………………………………
　 　4. 4. 2　 多层磁障调制器磁场调制行为 177 ………………………………………
　 　4. 4. 3　 短路线圈调制器磁场调制行为 181 ………………………………………
　4. 5　 不同调制器的等效性及互换性 192 ……………………………………………
　 　4. 5. 1　 不同调制器等效性和互换性分析 192 ……………………………………
　 　4. 5. 2　 不同调制器互换及组合实例分析 195 ……………………………………
　 　4. 5. 3　 不同调制器互换的性能对比 196 …………………………………………
　 参考文献 203 ……………………………………………………………………………
第 5 章　 基于磁场调制理论的电机性能分析与计算 204 ……………………………
　5. 1　 概述 204 …………………………………………………………………………
　5. 2　 无刷双馈电机 204 ………………………………………………………………
　 　5. 2. 1　 无刷双馈电机的定子绕组 205 ……………………………………………
　 　5. 2. 2　 无刷双馈电机的气隙磁场分布及电感特性 207 …………………………
　 　5. 2. 3　4/ 2 对极无刷双馈磁阻电机的定量分析 217 ……………………………
　5. 3　6/ 8 极磁通反向永磁电机 231 …………………………………………………
　 　5. 3. 1　 结构参数对磁场调制效果的影响 233 ……………………………………
Ⅸ 　　　
　 　5. 3. 2　 磁场调制行为 235 …………………………………………………………
　 　5. 3. 3　 实验验证 238 ………………………………………………………………
　5. 4　 笼型感应电机及电励磁凸极同步电机的统一分析 241 ………………………
　 　5. 4. 1　 磁场调制行为 242 …………………………………………………………
　 　5. 4. 2　 电磁特性分析 246 …………………………………………………………
　 　5. 4. 3　 实验验证 250 ………………………………………………………………
　 参考文献 252 ……………………………………………………………………………
第 6 章　 电机拓扑结构创新 255 ………………………………………………………
　6. 1　 创新方法 255 ……………………………………………………………………
　 　6. 1. 1　 改变励磁源 256 ……………………………………………………………
　 　6. 1. 2　 改变调制器 257 ……………………………………………………………
　 　6. 1. 3　 改变滤波器 257 ……………………………………………………………
　 　6. 1. 4　 改变三要素的相对位置 257 ………………………………………………
　 　6. 1. 5　 改变三要素的相对运动状态 258 …………………………………………
　6. 2　 Π 型铁心双凸极永磁电机 259 …………………………………………………
　 　6. 2. 1　 电机结构与运行原理 259 …………………………………………………
　 　6. 2. 2　 性能分析与比较 266 ………………………………………………………
　 　6. 2. 3　 样机与实验结果 268 ………………………………………………………
　6. 3　 定子永磁型旋转变压器 270 ……………………………………………………
　 　6. 3. 1　 基本结构与工作原理 270 …………………………………………………
　 　6. 3. 2　 奇数极的问题与磁场调制解决方法 274 …………………………………
　6. 4　 磁通反向永磁电机 278 …………………………………………………………
　 　6. 4. 1　 基于磁场调制理论的空载感应电动势分析 278 …………………………
　 　6. 4. 2　 空载感应电动势及其谐波分布 285 ………………………………………
　6. 5　 整距绕组磁通切换永磁电机 287 ………………………………………………
　 　6. 5. 1　 电机结构与运行原理 287 …………………………………………………
　 　6. 5. 2　 关键尺寸参数设计 289 ……………………………………………………
　 　6. 5. 3　 比较分析 292 ………………………………………………………………
　6. 6　 转子永磁型磁通切换电机 292 …………………………………………………
　 　6. 6. 1　 电机结构及基本电磁特性 293 ……………………………………………
　 　6. 6. 2　 转子永磁型磁通切换电机转矩产生机理 305 ……………………………
　6. 7　 双转子磁齿轮功率分配电机 313 ………………………………………………
　 　6. 7. 1　 MGPSM 电机的基本结构与工作原理 313 …………………………………
　 　6. 7. 2　 MGPSM 电机的工作模式 315 ………………………………………………
　 　6. 7. 3　 MGPSM 电机磁路不对称现象及影响 317 …………………………………
　　　
　 　6. 7. 4　 互补式 MGPSM 电机的原理与实验验证 321 ……………………………
　6. 8　 定子超导励磁磁场调制电机 331 ………………………………………………
　 　6. 8. 1　 定子超导励磁磁通切换电机 332 …………………………………………
　 　6. 8. 2　 双定子磁场调制超导励磁电机 334 ………………………………………
　 　6. 8. 3　 磁场调制超导电机的技术难点与展望 337 ………………………………
　 参考文献 338 ……………………………………………………………………………
第 7 章　 磁场调制理论的其他应用 343 ………………………………………………
　7. 1　 概述 343 …………………………………………………………………………
　7. 2　 无刷双馈电机的径向力分析 344 ………………………………………………
　 　7. 2. 1　 电机内的电磁振动和噪声 344 ……………………………………………
　 　7. 2. 2　 电机内的径向力分析 344 …………………………………………………
　 　7. 2. 3　 电机内的径向力计算 345 …………………………………………………
　 　7. 2. 4　 无不平衡磁拉力的极对数组合 357 ………………………………………
　7. 3　 无轴承单极和交替极永磁交流电机的悬浮绕组设计 357 ……………………
　 　7. 3. 1　 绕组变极设计原理 358 ……………………………………………………
　 　7. 3. 2　 方案 1: 跨距 y= 4 359 ……………………………………………………
　 　7. 3. 3　 方案 2: 跨距 y= 5 362 ……………………………………………………
　 参考文献 365 ………………………………………………………

电机是实现机电能量转换的电磁装置, 诞生于 19 世纪 20 年代, 迄今已有近200 年的历史。 与其大致同期出现的电报机、 白炽灯等, 已被不断涌现的新技术所取代而逐步退出历史舞台, 而电机不仅呈现出顽强的生命力, 成为近代工业革命的活化石, 且不断焕发新的生机。 社会经济的快速发展对电机的需求与日俱增, 电机应用场合已经从常规工业驱动, 全面拓展至航空航天、 交通运输、 数控设备、 机器人等高科技领域, 应用地点也从地面立体化延伸拓展到深空、 深海、 深地。 不同应用领域对电机性能的个性化需求, 催生了各种不同结构特点、 不同工作原理、 不同性能优势的新型电机。 特别是一些多工作谐波电机, 如磁齿轮电机、 永磁游标电机、 无刷双馈电机等, 依靠磁场调制原理工作, 给电机理论带来了严峻挑战, 传统电机理论已难以准确阐释部分新型电机的工作原理。 相应地, 出现了针对不同电机的分析理论与方法, 导致电机理论呈现 “碎片化” 特征, 缺少统一性和通用性,制约了电机理论与技术的发展。
本书是作者团队十多年研究成果的提炼和总结。 十多年来, 作者团队在研究多种新型电机的过程中, 率先揭示了磁场调制现象在各类电机中的普遍存在性, 并进一步将气隙磁场调制现象抽象化和理论化, 创立了电机气隙磁场调制理论, 统一了电机运行原理, 为电机的分析与计算提供了全新的视角和方法。 十多年来, 团队在电机气隙磁场调制理论及应用技术方面完成 6 篇博士学位论文和多篇硕士学位论
文, 在国内外学术期刊发表了近百篇论文, 获授权发明专利 50 余件; 部分成果获2016 年国家技术发明奖二等奖、 2013 年教育部自然科学奖一等奖、 2019 年江苏省科学技术成果奖一等奖、 2019 年江苏省专利项目奖金奖、 2017 年江苏省优秀博士学位论文、 2018 年 IEEEIAS 优秀博士学位论文、 2017 年第二届中国科协优秀科技论文奖等。
 全书共分 7 章, 第 1 章绪论介绍了研究背景和本书的框架, 第 2 章分析了常见电机中的气隙磁场调制现象, 第 3 章建立电机气隙磁场调制统一理论, 第 4章分析了三种调制器的磁场调制行为, 第 5 章应用磁场调制理论对几种典型电机的性能进行分析与计算, 第 6 章介绍了电机拓扑结构创新的一般性原则和方法以及多个实例, 第 7 章介绍了磁场调制理论的其他应用。
作为本书撰写基础的科研工作, 得到了多项科研基金和项目的资助, 主要包括: 国家自然科学基金重大项目 “高品质伺服电机系统磁场调制理论与设计方法(51991380)”, 国家重点基础研究计划 (973 计划) 课题 “高可靠性电机系统设计与容错控制 (2013CB035603)”, 国家自然科学基金重点项目 “定子永磁型风力发电系统关键基础问题 (51137001)”, 国家自然科学基金海外与港澳青年学者合作
研究基金项目 “新型电机与特种电机 (50729702)”, 国家自然科学基金重大国际( 地 区 ) 合 作 研 究 项 目 “ 新 型 双 定 子 无 刷 双 馈 风 力 发 电 系 统 及 其 控 制(51320105002)”、 国家自然科学基金面上项目 “电动车新型自减速永磁复合轮毂电机及其控制系统研究 (51177012)” “磁场调制型谐波混合励磁电机及其驱动控制策略研究 (51677081)” “静态密封双定子高温超导电机及其自预防失超机理研究 (51777216)”, 国家自然科学基金青年项目 “高功率因数分段式初级永磁型游标直线电机系统研究 (51307072)”, 江苏省创新学者攀登项目 “新型自增速永磁风力发电系统及控制 (BK2010013)” 等。
本书由程明提出总体撰写思路和提纲, 并为全书统稿。 韩鹏、 杜怿和文宏辉承担了主要撰写工作。 此外, 孙乐起草了 “6. 3 定子永磁型旋转变压器” 和 “6. 7 双转子磁齿轮功率分配电机” 的初稿, 王玉彬起草了 “6. 8 定子超导励磁磁场调制电机” 的初稿。
江苏电机与电力电子联 盟 ( Jiangsu Electrical Machines and Power Electronics League, JEMPEL) 成员花为教授、 樊英教授、 张建忠研究员, 以及李祥林、 张淦、朱洒、 苏鹏、 朱新凯、 王景霞等参与了部分研究工作; 张淦博士等为本书绘制了部分插图。中国香港大学邹国棠教授、 丹麦奥尔堡大学陈哲教授参与并指导了部分研究工作。
本书还得到东南大学 JEMPEL 团队各位成员以及江苏大学朱孝勇教授和赵文祥教授等的关心和支持。在此, 一并表示衷心的感谢!
限于著者能力和水平, 且电机气隙磁场调制理论以及磁场调制电机技术正处于快速发展阶段, 书中难免存在疏漏和不妥之处, 尚祈广大读者不吝批评指正。
程　 明　 谨识
2020 年 12 月于南京四牌楼

电机是实现机电能量转换的电磁装置, 诞生于 19 世纪 20 年代, 至今已有近 200年的历史。 随着电气化、 自动化和智能化的快速发展与普及, 电机应用已广泛渗透至人类生产、 生活的各个方面。 近年来, 航空航天、 电气化交通、 先进制造等战略性新兴产业的快速发展, 对电机的性能和品质提出了更为苛刻的要求, 促使各种新原理、新结构电机不断涌现, 给传统电机理论带来挑战。 对于磁齿轮电机、 永磁游标电机、无刷双馈电机等基于磁场调制原理工作的电机, 传统电机分析理论和方法已难以准确地阐释其工作原理, 因此相继出现了针对不同具体电机的分析理论与方法, 导致电机理论呈现 “碎片化” 特征, 缺乏统一性和通用性, 制约了电机理论和技术的发展。
在此背景下, 作者团队将电机气隙磁场调制现象抽象化和理论化, 创立了电机气隙磁场调制理论, 统一了电机原理和分析计算, 丰富和发展了电机学理论。在电机的发展史上, 曾产生过多种电机分析理论与方法, 较为经典的有双反应理论、 旋转磁场理论、 派克变换、 绕组函数理论等, 但是这些理论几乎无一例外地出自欧美等外国学者。 据我所知, 电机气隙磁场调制统一理论是首个由中国学者创立的电机新理论, 甚感欣慰! 这一电机理论的新突破, 不仅为电机的分析计算提供了新思路和新方法, 而且给电机拓扑创新提供了一般性原则和方法。 2019 年, 国家自然科学基金重大项目 “高品质伺服电机系统磁场调制理论与设计方法” 的立项, 标志着电机磁场调制技术在 “实践—理论—再实践” 的辩证发展过程中进入了新阶段。《电机气隙磁场调制统一理论及应用》 是作者及其团队多年研究成果的集中提炼和总结, 在揭示气隙磁场调制现象普遍性的基础上, 系统地阐述了电机气隙磁场调制统一理论, 结合实例介绍了如何利用磁场调制理论来分析计算电机性能, 给出了指导电机拓扑创新的一般性原则和方法, 并通过多个新型电机实例予以佐证。
本书创新性强, 内容丰富, 条理清晰, 自成体系, 是电机学科难得的一本高水平学术著作, 具有重要的学术价值和现实指导意义。 希望在本书的带动下, 有更多学者投入电机理论与技术的研究, 产出更多的创新成果, 助推我国电机产业发展。
2020 年 12 月

电机气隙磁场调制统一理论是首个由中国学者创立的电机新理论；这一电机理论的新突破，不仅为电机的分析计算提供了新思路和新方法，而且给电机拓扑创新提供了一般性原则和方法。
                                                                                            唐任远
                                                                                         中国工程院院士

电机磁场调制统一理论可以与旋转磁场理论、双反应理论等经典电机学理论相媲美，它统一了包括直流、交流、凸极、隐极、正弦波驱动、方波驱动电机等全类型电机的定性分析与定量计算。
                                                                                            陈清泉
                                                                                 中国工程院院士，英国皇家工程院士

电机磁场调制统一理论解决了长期困扰学术界的不同极对数磁场产生转矩的机理难题；基于气隙磁场调制理论，可以进一步认识FRPM电机的工作原理。
                       
                                                                                      Zhu Z. Q.（诸自强）
                                                                                英国皇家工程院院士，IEEE Fellow