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少有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。本书适合电气工程及相关领域的科研人员和研究生阅读，也可供管理、设计、生产部门的人员参考。

程明，分别于1982年和1987年在南京工学院获学士和硕士学位，2001年于香港大学获博士学位；IEEE Fellow，IET Fellow，IEEE工业应用学会（IAS）杰出讲座学者。现任东南大学首席教授、博士生导师，东南大学风力发电研究中心主任，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。曾于2002~2009年任东南大学电气工程学院院长、2011年1~4月任美国威斯康星麦迪逊大学访问教授、2012年6~7月任丹麦澳尔堡大学访问教授、2016年7月~2019年6月任英国阿斯顿大学客座教授。兼任国家自然科学基金委员会第12、13届专家评审组成员，《Energy Conversion and Management》《IEEJ Journal of Industry Applications》《中国电机工程学报》《电工技术学报》等期刊编委，《Chinese Journal of Electrical Engineering》共同主编，《电气工程学报》主编，《IEEE Transactions on Industrial Electronics》客座主编和《IEEE Transactions on Energy Conversion》客座编辑，兼任IEEE工业应用学会（IAS）执委（2017~2018）和磁学学会（MS）执委（2017）。主要主从事电机系统基础理论与关键技术研究，提出了电机气隙磁场调制统一理论，建立了电机系统一体化准确建模方法，发明了高可靠定子永磁电机设计技术等，承担国家自然科学基金重大项目、重点项目和重大国际（地区）合作研究项目，国家“973计划”课题，国家“863计划”项目等重要课题30余项；获授权中国发明专利130余件、PCT专利8件；发表期刊论文400余篇（SCI收录220余篇），著有《定子永磁无刷电机?理论、设计与控制》、《微特电机及系统》、《可再生能源发电技术》、《电动汽车的新型驱动技术》、《电机混沌驱动及其应用》等专著和教材，应邀担任《Encyclopedia of Automotive Engineering》（John Wiley & Sons）第三卷主编；论著被国内外学者大量引用，2014年以来连续入选爱思唯尔“中国高被引学者榜”。以第一完成人获2016年国家技术发明奖二等奖、2019年江苏省科学技术奖一等奖、2015年中国机械工业科学技术奖一等奖、2013年教育部自然科学奖一等奖、2018年江苏省专利发明人奖、2018年中国产学研合作创新奖、2019年江苏省专利金奖等学术奖励，以及IET Achievement Award、SAE Environmental Excellence in Transportation Award、Delta Scholar（中达学者）等国际学术奖励；享受国务院政府特殊贡献津贴。从教近40年来，共培养博士35人、硕士66人，其中获国家杰出青年基金和长江学者特聘教授3人，全国优博提名2人，IEEE IAS博士论文一等奖1人、三等奖2人，江苏省优博6人、优硕3人，IEEE IAS本科生设计竞赛一等奖2人、二等奖1人，江苏省毕业设计一等奖2人、二等奖1人等；获江苏省研究生教育改革成果一等奖，被评为东南大学首届“靠前我*喜爱的研究生导师”。

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
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
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
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=4359
7.3.3 方案2：跨距y=5362
参考文献365