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程序员世界■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( 三 )


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 。
程序员世界■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
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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 。
结论本文定义、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 。


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