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本期为您重磅推荐：来自华中科技大学创新电机技术研究中心曲荣海教授团队研究成果，欢迎关注！
磁场调制电机的由来、发展与挑战
曲荣海，李大伟，赵钰
（强电磁技术全国重点实验室(华中科技大学)，湖北省 武汉市 430074）
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.241478
电机作为一种机电能量转换的核心装置，广泛应用于工业制造、交通运输等各个领域。磁场调制电机利用磁场变极效应，引入转矩放大系数“极比”，可在相同材料选型和散热条件下大幅提升转矩密度，成为高转矩密度电机技术的重要发展方向。但特殊的拓扑结构和工作原理，也给磁场调制电机的分析和设计带来了全新挑战。本文从基础理论、拓扑结构、设计方法等方面，梳理了磁场调制电机的由来、发展和挑战。
磁场调制电机概念的提出和发展对于传统电机理论起到了颠覆性作用：在拓扑结构上，电机励磁和电枢单元极对数必须相等的设计禁锢被打破，极大提升了电机的设计自由度；在电磁性能上，电机输出转矩除与电磁负荷正相关外，还新增转矩放大系数“极比”，为电机提升转矩密度提供了全新技术路线。与此同时，“磁场调制”作为一种全新视角，将传统永磁同步电机、游标电机、磁齿轮电机、开关磁链电机等拓扑结构各异的电机进行理论统一，建立以气隙磁密谐波为变量的电磁性能解析表达，从而为定量揭示各类拓扑的内在联系和性能差异提供理论基础。此外，“磁场调制”作为一种全新技术，也引领和革新了电机设计方法，电机设计逐步从“尺寸参数扫描-试错迭代寻优”向“磁密谐波编辑-拓扑定向构造”转变。
1）工作原理。
各类磁场调制电机的工作原理可统一表述为：励磁单元对应的励磁磁动势谐波经调制单元对应的气隙磁导谐波调制，产生与电枢单元对应的电枢磁动势谐波极对数、旋转速度和旋转方向均相同的励磁磁密谐波，该励磁磁密工作谐波与电枢绕组交链，进而贡献平均转矩。对于磁场调制电机，其一般含有多个不同极对数的励磁磁密谐波参与机电能量转换。此外，各励磁磁密工作谐波的机械转速往往低于转子的机械转速，由此在平均转矩中引入了额外的减速放大转矩系数“极比”。磁场调制电机的平均转矩可统一表示为：
2）拓扑分类。
磁场调制电机具备“励磁-调制-电枢”3个功能单元，在拓扑结构上具有更高的设计自由度，从而形成丰富的磁场调制电机族。本文根据各功能单元运动关系，将无刷磁场调制电机分为3大类，即调制单元静止型、励磁单元静止型和三单元旋转型；进一步，根据各功能单元的励磁方式划分出具体拓扑。
图1 无刷磁场调制电机的分类
3）性能对比。
本文综合对比了各类磁场调制电机的磁密谐波特性和相同电负荷下平均转矩输出能力。
表1 各类无刷磁场调制电机性能对比
4）性能提升方法。
磁场调制电机得益于磁场调制效应，一方面引入多个励磁磁密谐波参与机电能量转换，另一方面增设转矩放大系数“极比”，使得电机具有高转矩密度的优势。但该类电机还同步调制出部分低次电枢磁密谐波，导致电感大、功率因数低、过载能力差。当前，针对磁场调制电机性能提升技术的研究主要从功能单元改进和设计理念创新两方面开展。
针对磁场调制电机励磁单元改进，主要包括：切向励磁、内置式励磁、混合励磁等励磁磁动势增强型，以及永磁体非均布的励磁磁动势谐波增多型新型拓扑结构。
针对磁场调制电机调制单元改进，主要包括：交替极永磁阵列、槽口放超导磁屏障等磁导谐波增强型，以及不等齿距、编码齿等磁导谐波增多型新型拓扑结构。
针对磁场调制电机电枢单元改进，主要包括：集中绕组、环形绕组等降低绕组端部高度，以及跨两齿分数槽分布绕组、低极比、混合齿等电枢磁密谐波抑制型新型拓扑结构。
针对磁场调制电机设计理念创新，主要包括：基于气隙磁密谐波定向编辑的游标永磁电机平均转矩最大化设计方法、基于多个低极比谐波集成的高功率因数模块化定子游标永磁电机拓扑构造方法等新型设计理念和方法。
磁场调制，作为一种新原理、新视角、新技术，发挥出传统电机理论中被忽略的气隙磁导的调制作用，为电机理论分析、拓扑设计及性能提升提供了全新思路和更高自由度。本文从磁场调制电机基本概念出发，梳理磁场调制电机的由来和发展历程，基于磁场调制电机“励磁-调制-电枢”3个功能单元的基本模型，分析对比各类磁场调制电机的拓扑演化规则、谐波作用机理和输出转矩能力；并从功能单元改进和设计理念创新2个层面，归纳总结现有磁场调制电机性能提升技术。
引文信息
曲荣海，李大伟，赵钰．磁场调制电机的由来、发展与挑战[J]．中国电机工程学报，2024，44(18)：7361-7380．
QU Ronghai，LI Dawei，ZHAO Yu．The origin，development and challenge of flux modulation machine[J]. Proceedings of the CSEE，2024，44(18)：7361-7380(in Chinese)．
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责编：陈 娟
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