电气气隙磁场调制理论及其应用方法|EVH2024新能源电驱动协同·融合·创新年会演讲

首先，简单回顾一下电气的发展，以及面临的瓶颈与挑战。大家都知道，电气发展到现在已经有180多年的历史了，对于我们整个人类社会产生了非常重大的影响。特别是从特斯拉发明感应电气以来，在我们整个社会产生了非常大的推动作用。大家发现一个优秀的现象，在历史上大致上相同的出现了很多发明，包括蒸汽机、电报机等。但是，发展到现在，发现其他的技术基本上都被新的技术所有取代，或者已经、正在退出历史舞台。唯有我们电机不但没有处于这种趋势，而且现在用得越来越多。

因此，从这种意义上讲，电机是我们近代工业发展的活化石。到现在电机以我们国家为例，生产了大约90%的电能，同时又使用了60%的电能。特别是像我们今天讲的电动汽车，电机是我们所有的交通运输、先进制造等等重大装备的动力心脏/核心。

大家想象一下，如果说没有电机，生产也就是没有电。如果没有电，我们现今的社会会是什么样子，也不可能说进入到电气化时代，也不可能现在信息化、智能化更谈不上，今天讲的电动车，也无从谈起。

因此，从这个意义上说，我们可以讲电机改变了世界，改变了我们整个人类生活方式。

那么，发展这么多年来，很重要，确实起到了很重要的作用。随着我们新兴产业的发展，包括电动车对电机的装机力度、效力以及调制范围，提出了越来越高的要求。虽然我们每一个企业采用了各种各样的措施，都能从不同程度上来提出电机性能。但是，很难取得突破。

回过头来发现，性能已经接近极限，电机理论上存在一种瓶颈。简单回顾一下瓶颈，我们现在所有的交流电机基本面都是基于当时尼古拉·特斯拉等一批科学家所奠定的所谓旋转磁场理论。旋转磁场理论，一个基本的认识我们只能利用基波磁场产生转矩，而谐波磁场是有害无益的。我们总是要尽量把它抑制掉，或者把它怎么削弱掉。我们所有顶层设计的时候，定子磁场极对数=转子磁场极对数，这是一个设置电机的基本准则，也是第一个瓶颈和挑战。

电机的分析离不开磁场的分析，我们知道自从1840年焦耳发现在磁阻里面存在着所谓的磁阻现象，也就是阻碍我们的磁通变化，这么多年来在我们所有的经典电气理论里面始终只有这一个参数，只有磁阻。不像我们电路，有电阻、电压、电容，而在磁阻里面，目前为止，在所有经典理论里面只有磁阻这么一个参数。

那么，这个参数带来了什么问题呢？无法定量表征磁阻里面的磁通相位，以及它产生的铁心消耗。所以说，目前我们要算消耗怎么算呢？大家都知道，基本上就是这两个常用的经典公式。这两个都是基于统计学得出来的一个经验公式。算出来的时候，误差最后发现在30%甚至更高的情况是很常见的，就是一个很常见的状态，误差可能达到30%以上，由此导致我们电机，很难精准来分析计算，这是第二个主要的瓶颈，限制了我们电机效率以及转矩密度等关键性提升。

最近几年针对这两个问题，想试图能够来突破这样一个理论上的瓶颈或者局限。磁场调制理论，我们发现所谓的磁场调制的机类，下面这个动图反映了下面这个在移动的时候，磁场本来是静止的，调制出来一个运动的磁场出来，这就是调制的原理。我们进一步超越不同电机的结构原理，把所有类型的电机统一抽象为三个要素（励磁源、调制器、滤波）。

这样一来，为了理解这三个要素，做一个类比，用我们电力电子变换器，就是我有一个直流电源，经过一个开关网络，变成了一个滤波，通过这个滤波器把无用的过滤掉，就提取出有用波出来，最后就是对外输出功率。

在我们变换器里面，调制是时间调制。在我们电机里面存在类似的现象，三要素产生一个磁场，这是一个静止恒定的磁场。通过我的调制，调制出来一系列的谐波出来，经过滤波把无用的谐波滤掉，提取出来有用的谐波，来进行转换，这就是我们基本概念，为了便于理解和开关变换。

但是，我们做的是一个空间调制，电机里面是一个空间调制。具体讲三要素，我非常快过一下。比如说调制器，我们讲常用的磁阻，也可以是短路现象，也可以说所谓的多层磁场等等。为什么叫滤波器，发现电阻高了产生的频谱是一个函数的东西，就是一个滤波器的特性，我们称之为滤波绕组。滤波绕组通过最佳频率来得到，这是第三个要素。

特别是我们把这三个调制器，调制作用通过一个数学上的调制算子表达出来以后，就可以把这三个要素从数学上面表征出来。也就是说，我们通过这样一个处理以后，所有电机的能量转换都是符合这么一个流图。

那么，由此我们推导得到所有电机统一感应电气方程以及短距方程，这个方程是与电机类型没有关系的，所有电机都是满足的。

尤其就是说得到我们所谓的电机气隙磁场调制统一理论，我们发表了一些论文，也出了两本专著（中文、英文），基本上已经在国内外大家很多专家接受了我们这个观点，接受了这个方法，也在用。

接下来，这个理论究竟给我们电机带来什么影响呢？影响是多方面的，我主要讲传统电机理论认为谐波是有害无益的，我们现在这个理论打破了这样一个局限。我们要怎么提出一种新的方法，把基波和谐波共同用起来。也就是让谐波磁场变废为宝，能够提高电机的转矩，为我们电机的突破创新提供了一次新的途径，大家的思路是这样。

具体下面举一个例子，时间关系不能讲太多，这就是我们南京母公司开发的磁伺电机，原有产品其他的参数一样，用我们这个磁场调制以后，转矩比原来提高20%，转矩密度下降了比较多，效率是提高了0.5%，没有展示。转矩密度是明显提高的，这是主要利用了一次谐波。我们进一步发现，我这个电机不是利用一次谐波，可以进一步改进我们有这个结构改到这个结构，做成一个不规则的结构，发现转矩比刚才原有结构，又有比较大的提升。这样一个表里就反映了，原结构主要利用了8次和28次，两个谐波产生正转矩，其他基本上没有，甚至还产生一点小的负转矩。用了新结构以后，至少有3个谐波能够产生正转矩的，这也就是为什么转矩提高，机理在这儿。我们做了不同的实验结果，这是实验分析结果的对比（转矩），这是我讲第一个理论上面的创新。

第二，我们提高了磁感及矢量磁路理论，针对刚才讲的第二个问题，1804年到现在磁阻现象，这么多年下来，没有出现第二个磁路参数。我们在研究过程中发现，存在着其他参数，只是没有发现。我们可以看到，磁路按照原来的方法，磁通就等于磁矢除上磁阻，波形就是呈红线。如果加上这个以后，磁通大小和相位都会发生变化。

也就是说，我们发现了影响磁路磁通新的影响因素。这个因素我们就定义为磁感，磁感的定义就是这么来的。我的磁通就变成磁矢磁阻+磁感，磁通的相位就是下面这个。我们早就发现磁路里面有磁通相位，以前没有办法来表征，这是我们的发现，由此建立了矢量磁路理论。

这个符号显示有点问题。在这个基础上，我们通过类似功率上面的关系，上面表现磁场量来算功率，下面真的是电功率。通过电功率与磁功率的对比，发现了所谓的磁电功率，得到了磁路的虚拟功率，磁阻上面是无功功率。发现磁阻上对应的是无功功率，磁阻不产生损耗，是无功功率。而磁感上面正好是有功功率，这样把我们的磁功率与电功率联系起来了。

这个现在起来有什么用呢？主要通过这个关系，我的磁功率产生的损耗可以用这么一个公式（看图），这个公式和我们算电路损耗的公式是类似的。知道了电流和电阻，磁路知道了磁感和磁通，一下把损耗算出来，得到了一个解析模型，不再是经验公式。这样一来，能够实现我用磁量来直接计算磁路的有功功率。

由于我们铁心里面有涡流，涡流可以等效为一个闭合线圈。这样一来，我们最后用磁感来定量表征我的涡流效应。由此，可以用它来计算我的涡流损耗，就是基于这么一个原理。这是我们建立了一个涡流解析计算公式。

目前常用的是这样一个模型，大家知道这样一个模型里面有很多参数，红的符号圈起来都是需要通过大量的实验数据经过拟合得到的。刚才讲适用范围比较小，误差比较大，刚才讲30%。现在有了这个东西之后，一下可以体现出涡流损耗，把损耗用这么一个解析公式算出来，这就是我们通过磁感的概念，能够解决我们多少铁心里面的涡流效应的定量表征，以及损耗的定量计算。

应用有什么用呢？磁感有多方面的应用。我们搞无刷双馈电机的时候，做过的老师可能很熟悉。无刷双馈电机里面转子上面有两套（短路线圈、磁场），我们发现这两个东西不光是我们，好多人做。这个调制的磁通是有相位差，导致最后合成的时候是矢量和。发现这个现象以后，我们提出了一个非对称转子，把短路线圈的槽人为设置在一个角度以后，可以把这个相位差补偿掉。这样一下把转矩提高了，一个表里可以看到。对称转子的时候，相位差有8.69，非对称只有0.06，对应的平均转矩提高了17.1（N.m）。脉动也进一步下降，这是第一个作用。

第二个效果用于电机控制，大家知道不管电机怎么控制，控制的时候铁心有涡流，涡流是一个磁感，对我们磁通的大小和相位产生影响。在我们现有的所有电机控制模型里面，几乎不考虑这个铁心损耗对我们磁通的作用。

现在我们考虑进去以后，模型就变成了现在的多了一个相，所谓的涡流耦合电阻相，与磁感大小有关。用了这个模型以后，我们举了一个例子，用在模型预测控制的电流预测误差的对比可以发现，蓝线是我们新的模型预测误差，红色是新的模型预测误差。在这个里面，误差减少非常明显。我们用在传感控制里面也有很好的效果，时间关系没有放进来。

我们所有搞电机驱动的都知道，都离不开高频电感或者是高频变压器的时候，高频变压器有涡流，就有涡流效应。有了涡流效应就发现磁通是和高频电流有集肤效应存在的。我们都知道，在电路里面知道高频电路导线是做成空芯导线，因为中间电流很小。但是，磁路里面目前没有人把这个规律揭示出来。有了磁感以后发现，通过我们这么一个等效模型，只是我们当时分了三层、四层。你发现这个磁密分布是那个蓝色的虚线，中间是最小的，接近于零。我中间那个磁芯是作用很小，甚至没有用的。

因此，基于这个原理我们做了一个磁芯，把中间挖孔，类似于我们导线做成空芯导线一样。挖到一定的孔的时候，原来没有挖孔，挖了不同的孔径。现在传统大家用的没有实芯的，做了一个性能测试，这都是实验数据。发现损耗，铁耗挖孔了以后，损耗在所有范围内比传统要明显减小。这个减小能够降低温升，减少材料，甚至于减轻重量，这就是带来的效果。这是我们做的第二个应用，还有其他一些应用，时间关系不展开。

最后简单总结、展望一下，我们主要解决了从理论上面，做了一些探索。

第一，我们发现了基波+谐波的时空耦合磁场调制的机理，由此突破了特斯拉旋转磁场理论只有基波磁场能够参与能量转换的局限。也就是说，我们改变了这么一个传统的认知。

第二，我们发现了新参数磁感，对我们1840年以后磁路参数新的发现和补充。

由此，结束了百余年来我们无法定量表征磁路中的磁通相位以及损耗的历史，破解了我们电机损耗没有解析模型，只有经验公式的这么一个难题。

当然我们的工作时间特别是磁感是最近几年做的工作，有的工作还在继续做过程当中，我们相信可能对我们电机的影响，可能还有更多的方面。我今天只是给大家展示了一个磁通主要的一些东西。

这就是我今天大家分享最近几年做的一些理论方面的成果，如果有兴趣的同行欢迎大家交流，也欢迎大家批评、指正。如果有兴趣的同行，欢迎大家交流，也欢迎大家批评指正。

我的报告就到这里，谢谢大家。

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