團(tuán)隊(duì)介紹
程明,博士,東南大學(xué)首席教授、博士生導(dǎo)師,IEEE Fellow, IET Fellow。現(xiàn)任東南大學(xué)風(fēng)力發(fā)電研究中心主任、東南大學(xué)先進(jìn)電機(jī)與電力電子集成系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)、東南大學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、江蘇省新能源汽車(chē)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工程實(shí)驗(yàn)室主任。
30多年來(lái),主持承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、國(guó)家973計(jì)劃課題、國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目等課題60余項(xiàng),發(fā)表論文400余篇(SCI收錄220余篇);主編《微特電機(jī)及系統(tǒng)》、《可再生能源發(fā)電技術(shù)》教材,出版《定子永磁無(wú)刷電機(jī)◆理論、設(shè)計(jì)與控制》、《電動(dòng)汽車(chē)的新型驅(qū)動(dòng)技術(shù)》等著作,應(yīng)Springer出版社邀請(qǐng)參編《Encyclopedia of Sustainability Science and Technology》,應(yīng)Wiley出版社邀請(qǐng)參編《Encyclopedia of Automotive Engineering》并任第三卷編輯;獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利130余件、PCT專(zhuān)利3件、歐洲專(zhuān)利1件。
獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)等學(xué)術(shù)獎(jiǎng)勵(lì),和江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”中青年科技領(lǐng)軍人才、優(yōu)秀科技工作者、“六大人才高峰”學(xué)術(shù)帶頭人、江蘇省十大優(yōu)秀專(zhuān)利發(fā)明人、中達(dá)學(xué)者以及江蘇省專(zhuān)利發(fā)明人獎(jiǎng)等榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)。被聘為IEEE IAS Distinguished Lecturer in 2015/2016;享受?chē)?guó)務(wù)院政府特殊貢獻(xiàn)津貼。
文宏輝,博士研究生,研究方向?yàn)榇艌?chǎng)調(diào)制電機(jī)的分析、設(shè)計(jì)及優(yōu)化。曾參與國(guó)家自然科學(xué)基金重大國(guó)際(地區(qū))合作研究項(xiàng)目、科技部973計(jì)劃重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃,現(xiàn)參與國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目,發(fā)表SCI、EI論文5篇,申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利5項(xiàng),曾獲2017年度江蘇省普通高等學(xué)校本專(zhuān)科優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng),2017年IEEE IAS Myron Zucker Undergraduate Student Design Contest二等獎(jiǎng),2019年江蘇省三好學(xué)生。
江蘇省電機(jī)與電力電子聯(lián)盟(JEMPEL)是由IEEE Fellow、東南大學(xué)首席教授程明領(lǐng)銜,東南大學(xué)電氣工程學(xué)院12名專(zhuān)任教師為核心,多名長(zhǎng)江學(xué)者、千人等專(zhuān)家為支撐,100余名博士后和博士、碩士研究生為骨干的科研團(tuán)隊(duì),研究領(lǐng)域涵蓋電機(jī)與電力電子及其在新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)、軌道交通、伺服系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
本文基于“電機(jī)磁場(chǎng)調(diào)制理論”定義了廣義磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)同步調(diào)制與異步調(diào)制行為及其同步轉(zhuǎn)矩與異步轉(zhuǎn)矩分量,并就其關(guān)鍵的差異分別進(jìn)行對(duì)比、分析并舉例闡明,闡述了同步/異步調(diào)制與同步/異步轉(zhuǎn)矩分量的辯證關(guān)系。
基于上述理論分析及定義,研究無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)可能的運(yùn)行模式、存在條件及轉(zhuǎn)矩分量構(gòu)成,總結(jié)單饋同步模式下無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)與電勵(lì)磁同步電機(jī)的異同;分析多層磁障與短路線圈復(fù)合轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),定性描述輔助短路線圈在磁場(chǎng)調(diào)制行為中的作用,定義調(diào)制算子進(jìn)而定量討論復(fù)合轉(zhuǎn)子對(duì)磁場(chǎng)耦合能力、平均電磁轉(zhuǎn)矩等方面可能帶來(lái)的有益影響;并對(duì)簡(jiǎn)單凸極類(lèi)磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)的調(diào)制行為及轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行統(tǒng)一描述。
近年來(lái),基于磁場(chǎng)調(diào)制原理的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī),能夠利用額外有效諧波磁場(chǎng)使得平均轉(zhuǎn)矩得到提升,故其主電磁轉(zhuǎn)矩中可能包含多個(gè)轉(zhuǎn)矩分量。以簡(jiǎn)單凸極類(lèi)磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)為例,該類(lèi)電機(jī)雖然主要利用異步調(diào)制行為,但卻能夠生成同步轉(zhuǎn)矩分量,調(diào)制行為與轉(zhuǎn)矩成分的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜、較難理解;另一方面,這類(lèi)電機(jī)的調(diào)制行為與轉(zhuǎn)矩特性具有相通性,因此可以統(tǒng)一進(jìn)行歸納描述。
而無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子包括短路線圈、簡(jiǎn)單凸極、多層磁障(徑向及軸向)等多種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),是磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)重要一員,其本質(zhì)是一類(lèi)具有兩個(gè)交流電氣端口和一個(gè)公共機(jī)械端口的新型復(fù)合電機(jī)。由于無(wú)刷雙饋電機(jī)獨(dú)特的復(fù)合特性,兩個(gè)交流電氣端口不同方式供電時(shí)可以運(yùn)行在多種模式下,對(duì)應(yīng)不同的運(yùn)行模式、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),無(wú)刷雙饋電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩成分可能截然不同,其調(diào)制行為與轉(zhuǎn)矩成分的關(guān)系更加復(fù)雜。因此,有必要對(duì)磁場(chǎng)調(diào)制行為與轉(zhuǎn)矩成分進(jìn)行定義分析,并歸納兩者辯證關(guān)系,為分析廣義磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)的調(diào)制行為及電磁特性提供一種新思路。
根據(jù)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)調(diào)制統(tǒng)一理論,基本電機(jī)單元可規(guī)格化為“勵(lì)磁源—調(diào)制器—濾波器”三要素的級(jí)聯(lián)。依初始勵(lì)磁源與調(diào)制器的相對(duì)狀態(tài),可將調(diào)制行為定義為同步調(diào)制與異步調(diào)制,若調(diào)制器與勵(lì)磁源存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),則為異步調(diào)制;若兩者保持相對(duì)靜止,則為同步調(diào)制。
常見(jiàn)的異步調(diào)制行為有磁通反向永磁電機(jī)凸極轉(zhuǎn)子的異步調(diào)制行為等,如圖1a所示;常見(jiàn)的同步調(diào)制行為有內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)凸極轉(zhuǎn)子的同步調(diào)制行為等,其調(diào)制結(jié)構(gòu)如圖1b所示。
圖1 常見(jiàn)的磁場(chǎng)調(diào)制行為
同步轉(zhuǎn)矩與異步轉(zhuǎn)矩分量的定義僅取決于建立該轉(zhuǎn)矩分量的磁場(chǎng)來(lái)源及電機(jī)轉(zhuǎn)速狀態(tài)。若某轉(zhuǎn)矩分量的生成機(jī)理如圖2a所示,由同一磁場(chǎng)來(lái)源建立,且轉(zhuǎn)子與該磁場(chǎng)源作相對(duì)運(yùn)動(dòng),即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與該磁場(chǎng)同步速不相等,則該轉(zhuǎn)矩為異步轉(zhuǎn)矩;若某轉(zhuǎn)矩分量由兩個(gè)獨(dú)立來(lái)源的極對(duì)數(shù)相同的磁場(chǎng)反應(yīng)建立,且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與兩個(gè)磁場(chǎng)源的等效同步速相等,則該轉(zhuǎn)矩為同步轉(zhuǎn)矩,如圖2b所示。
圖2 同步轉(zhuǎn)矩與異步轉(zhuǎn)矩機(jī)理圖示
轉(zhuǎn)矩成分性質(zhì)與調(diào)制行為有關(guān),調(diào)制行為指的是能改變初始磁動(dòng)勢(shì)幅值和空間頻譜分布的主調(diào)制行為,具體分析如下:
(1)同步調(diào)制生成同步轉(zhuǎn)矩分量。以圖1b所示的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)為例,其包含永磁勵(lì)磁磁場(chǎng)、定子電樞磁場(chǎng)兩個(gè)獨(dú)立的磁場(chǎng)源;定子凸極性可以忽略不計(jì),故為單位調(diào)制;初始勵(lì)磁源與凸極轉(zhuǎn)子保持相對(duì)靜止,其調(diào)制行為是同步調(diào)制;兩套磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)相同并保持相對(duì)靜止,且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒等于定子電樞繞組建立的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步速,故該內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)僅包含一個(gè)同步轉(zhuǎn)矩分量。
(2)異步調(diào)制生成同步轉(zhuǎn)矩分量。以圖1a所示的磁通反向永磁電機(jī)為例,定子凸極的同步調(diào)制行為僅改變靜態(tài)永磁勵(lì)磁磁場(chǎng)諧波幅值,而不影響其頻譜分布;另一方面,由于勵(lì)磁和電樞磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)并不相等,則要求轉(zhuǎn)子運(yùn)行在兩個(gè)磁場(chǎng)的等效同步速下,從而調(diào)制勵(lì)磁磁場(chǎng)與調(diào)制電樞磁場(chǎng)能夠相互作用產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩。顯然,磁通反向永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子凸極對(duì)位于定子的永磁勵(lì)磁源為異步調(diào)制,且主電磁轉(zhuǎn)矩滿足同步轉(zhuǎn)矩定義,故異步調(diào)制可以生成同步轉(zhuǎn)矩分量。
(3)異步調(diào)制生成異步轉(zhuǎn)矩分量。參考圖2b,以傳統(tǒng)鼠籠感應(yīng)電機(jī)為例,它僅包含一個(gè)定子磁場(chǎng)源,其主電磁轉(zhuǎn)矩是由定子基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Bf與由該磁場(chǎng)感應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流所建立的轉(zhuǎn)子基波磁場(chǎng)B′f相互作用所產(chǎn)生,其本質(zhì)是由同一磁場(chǎng)源建立而成;Bf與B′f極對(duì)數(shù)相同,且無(wú)論轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速是多少,B′f在空間相對(duì)于定子的轉(zhuǎn)速總等于Bf的同步轉(zhuǎn)速,因而兩者能夠互相反應(yīng)產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩;轉(zhuǎn)子此刻相對(duì)于定子繞組建立的磁場(chǎng)作相對(duì)運(yùn)動(dòng),即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步速不相等,為異步運(yùn)行(調(diào)制),故鼠籠感應(yīng)電機(jī)僅包含一個(gè)異步轉(zhuǎn)矩分量。
由于無(wú)刷雙饋電機(jī)獨(dú)特的復(fù)合特性,它可以運(yùn)行在多種不同的模式下,如簡(jiǎn)單異步模式、級(jí)聯(lián)異步模式、單饋同步模式、雙饋同步模式等。單饋同步模式下無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)與電勵(lì)磁同步電機(jī)具有一定的相似性,主要體現(xiàn)在:
(1)磁場(chǎng)架構(gòu)相同:兩個(gè)電氣端口均一套直流供電勵(lì)磁,一套交流供電提供電樞磁場(chǎng)。
(2)調(diào)磁方式類(lèi)似:該模式下無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)可以如電勵(lì)磁同步電機(jī)施加勵(lì)磁、調(diào)節(jié)功率因數(shù),其可調(diào)量只有電流幅值,故一般只能對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。
(3)同步轉(zhuǎn)矩分量為主:無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)與電勵(lì)磁同步電機(jī)均由兩套獨(dú)立磁場(chǎng)源生成轉(zhuǎn)矩,且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速運(yùn)行于等效同步速,滿足生成同步轉(zhuǎn)矩的條件。另一方面,當(dāng)無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)的PW和CW端電壓給定時(shí),忽略定子繞組電阻和漏電感,轉(zhuǎn)子漏阻抗與轉(zhuǎn)矩峰值成反比,且轉(zhuǎn)子漏抗與轉(zhuǎn)子電阻的比值影響異步轉(zhuǎn)矩分量與同步轉(zhuǎn)矩分量之間的比例。其比值越大,轉(zhuǎn)子漏阻抗角越接近π/2,異步分量所占比例越小。極限情況下,轉(zhuǎn)子電阻為零,異步轉(zhuǎn)矩分量將不出現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩表達(dá)式中,僅包含同步轉(zhuǎn)矩分量。
無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)與電勵(lì)磁同步電機(jī)也存在差異性,體現(xiàn)在:
(1)無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化:無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)通過(guò)調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)無(wú)刷,在單饋同步模式下轉(zhuǎn)子運(yùn)行于亞自然同步速,能夠建立PW和CW的單頻關(guān)系。若無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行于PW同步速或CW同步速,則不能正常起動(dòng)工作,這也能夠證明無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)為異步調(diào)制行為主導(dǎo)的磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī),與同步電機(jī)工作原理存在本質(zhì)差異。
(2)調(diào)制行為不同:電勵(lì)磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子調(diào)制器與勵(lì)磁源相對(duì)靜止,為同步調(diào)制,而無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)為異步調(diào)制行為。
(3)轉(zhuǎn)矩分量成分不同:電勵(lì)磁同步電機(jī)僅包含一個(gè)同步轉(zhuǎn)矩分量,不包含異步轉(zhuǎn)矩分量;而無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)分別包含兩個(gè)同步轉(zhuǎn)矩和異步轉(zhuǎn)矩分量。
在徑向疊片轉(zhuǎn)子鐵心中加入磁障層,并在構(gòu)成的磁障式轉(zhuǎn)子中添加輔助短路線圈,便構(gòu)成了多層磁障和短路線圈結(jié)合的復(fù)合轉(zhuǎn)子,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。復(fù)合轉(zhuǎn)子利用短路線圈繞組和多層磁障轉(zhuǎn)子的雙重調(diào)制增強(qiáng)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換能力,由于兩個(gè)調(diào)制器與初始勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)均存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),且短路線圈調(diào)制器發(fā)揮磁場(chǎng)調(diào)制作用的基礎(chǔ)就是轉(zhuǎn)子運(yùn)行在異步速,故該復(fù)合轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)屬于異步調(diào)制行為。
故復(fù)合轉(zhuǎn)子本質(zhì)上是利用多層磁障和短路線圈的共同異步調(diào)制行為,相比普通多層磁障轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋增加了一套短路線圈調(diào)制器,從而能夠提升相應(yīng)的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換系數(shù),增強(qiáng)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換能力即改善磁場(chǎng)調(diào)制效果,從而增加定子繞組電感幅值,增大有效氣隙磁通密度幅值,提升相應(yīng)調(diào)制磁負(fù)荷幅值,增加平均轉(zhuǎn)矩輸出。
圖3 復(fù)合轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
磁通切換永磁電機(jī)可認(rèn)為是無(wú)刷雙饋電機(jī)的一種特殊情形,即永磁體陣列被能夠產(chǎn)生相同磁動(dòng)勢(shì)分布的單相繞組所代替,此時(shí)磁通切換永磁電機(jī)等效為一臺(tái)雙凸極無(wú)刷雙饋電機(jī),其CW為單相集中繞組、PW為分?jǐn)?shù)槽集中繞組,電機(jī)始終工作在自然同步轉(zhuǎn)速。
磁通切換永磁電機(jī)等簡(jiǎn)單凸極磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)磁場(chǎng)調(diào)制行為和轉(zhuǎn)矩成分可描述為:
綜上所述,本文首次深入分析并揭示了廣義磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)(包含傳統(tǒng)電機(jī)及新型磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī))的磁場(chǎng)調(diào)制行為與轉(zhuǎn)矩成分的復(fù)雜關(guān)系,并從氣隙磁場(chǎng)調(diào)制的角度解釋了傳統(tǒng)電機(jī)與新型磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)的內(nèi)在聯(lián)系,揭示了新型磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)相比傳統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩提升的本質(zhì)原因。
這不僅有利于深入理解電機(jī)磁場(chǎng)調(diào)制行為及轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理,更利于進(jìn)一步探索不同調(diào)制器搭配組合的可能性,對(duì)比調(diào)制器之間互換之后的磁場(chǎng)調(diào)制效果,理解調(diào)制器演化形式與單獨(dú)作用機(jī)理,指導(dǎo)電機(jī)系統(tǒng)的拓?fù)鋭?chuàng)新與綜合設(shè)計(jì)等,從而促進(jìn)相關(guān)專(zhuān)業(yè)人士理解并掌握種類(lèi)繁多的新型電機(jī)的分析和應(yīng)用。
本文定義、分析、歸納了廣義磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)中的調(diào)制行為與轉(zhuǎn)矩成分,并指出同步/異步調(diào)制均能夠分別生成同步轉(zhuǎn)矩分量,而異步調(diào)制可以生成異步轉(zhuǎn)矩分量。
基于此,研究了典型磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)的磁場(chǎng)調(diào)制行為和轉(zhuǎn)矩成分。分析了無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)可能的運(yùn)行模式、存在條件及轉(zhuǎn)矩構(gòu)成,歸納無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)與電勵(lì)磁同步電機(jī)的相似性及差異性,從磁場(chǎng)調(diào)制行為和轉(zhuǎn)矩成分的角度研究了調(diào)制類(lèi)電機(jī)和傳統(tǒng)電機(jī)的內(nèi)在聯(lián)系??偨Y(jié)了磁通切換永磁電機(jī)與無(wú)刷雙饋電機(jī)的相似性,并統(tǒng)一描述了以磁通切換永磁電機(jī)為代表的簡(jiǎn)單凸極類(lèi)磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)的調(diào)制行為及轉(zhuǎn)矩特性。
另一方面,本文定性分析了復(fù)合轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和附加短路線圈在磁場(chǎng)調(diào)制行為中發(fā)揮的作用,指出該電機(jī)調(diào)制算子可疊加的本質(zhì)原因,進(jìn)而定量分析了復(fù)合轉(zhuǎn)子對(duì)磁場(chǎng)耦合作用、電感特性、轉(zhuǎn)矩密度等方面可能帶來(lái)的有益影響。
然而,如何通過(guò)合理分配混合式結(jié)構(gòu)中幾種調(diào)制器之間的比例,充分利用復(fù)合氣隙磁場(chǎng)調(diào)制行為增強(qiáng)調(diào)制器磁場(chǎng)耦合能力,從而改善磁場(chǎng)調(diào)制效果,以使電機(jī)達(dá)到最佳電磁性能,是一個(gè)重要的理論問(wèn)題,值得繼續(xù)深入研究。
總之,本文基于磁場(chǎng)調(diào)制行為分析調(diào)制器之間復(fù)合調(diào)制的可能性,對(duì)理解和揭示調(diào)制器演化形式與單獨(dú)作用機(jī)理具有深遠(yuǎn)意義,為指導(dǎo)電機(jī)系統(tǒng)的拓?fù)鋭?chuàng)新、性能分析、運(yùn)行控制與綜合設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。
程明, 文宏輝, 曾煜, 姜永將. 電機(jī)氣隙磁場(chǎng)調(diào)制行為及其轉(zhuǎn)矩分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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.