第1章 绪论

1.1 电机发展历史回顾

电机是实现机电能量转换的电磁装置。自从1834年Jacobi发明直流电机、1887年Tesla等发明感应电机以来的180多年时间里，电机技术快速发展，其应用领域日益广泛，已成为支撑国民经济发展最重要的能源动力装备之一。功率等级从数兆瓦到数百兆瓦的各类型电机，特别是直流电机、交流感应（异步）电机和交流同步电机这三大传统电机，为人类社会的发展做出了巨大贡献^［1-4］。

值得一提的是，与电机大致同期出现的电报机、白炽灯等，已被不断涌现的新技术所取代而逐步退出历史舞台。而电机不仅呈现出顽强的生命力，成为近代工业革命的活化石，而且不断焕发新的生机，老而不衰、历久弥新，电机理论和技术的完善、发展和创新从未止步。

随着电气化和自动化技术的普及，电机的应用场合已经从常规工业驱动，全面拓展至航空航天、交通运输、数控设备、机器人等高科技领域，应用地点也从地面立体化延伸拓展到深空、深海、深地。不同应用领域对电机的性能要求不断细化，传统的有刷直流电机、感应电机和同步电机已难以满足新领域、新应用的苛刻要求。与此同时，材料技术、加工制造技术以及控制技术等快速发展，与新的应用需求相结合，催生了各种不同结构特点、不同工作原理、不同性能优势的新型电机，如磁阻同步电机^［5-7］、永磁无刷电机^［8，9］、游标电机^［10］、无刷双馈感应电机^［11-13］、无刷双馈磁阻电机^{［14，15］}、横向磁通电机^［16］、开关磁阻电机^{［17，18］}、定子永磁无刷电机^［19-22］、永磁游标电机^{［23，24］}、磁齿轮复合电机^［25-28］、双机械端口电机^{［29，30］}等。

与此同时，电机理论也随之不断丰富和完善。除了电机所遵循的电磁感应定律、电磁力定律等基本的物理定律外，为了解决不同电机的性能分析与计算，相应地出现了多种电机理论和分析方法。

例如，针对凸极同步电机的直轴和交轴磁阻不相等给电枢反应计算所带来的困难，勃朗德（A.Blondel）提出了双反应理论^{［31，32］}，即当电枢磁动势F_a的轴线既不与直轴也不与交轴重合时，可以将F_a分解为直轴分量F_ad和交轴分量F_aq（见图1-1），然后分别求出直轴电枢反应磁场和交轴电枢反应磁场，最后将它们进行叠加。实践证明，当不计磁路饱和时，采用双反应理论可取得令人满意的结果。此后，派克（R.H.Park）进一步将双反应理论进行概括和拓展，提出了著名的派克变换，从而建立了同步电机稳态和暂态下的电流、电压、功率和转矩的通用计算公式^［33］，为同步电机的分析计算带来了极大方便。

又如，克朗（G.Kron）提出了分析电机的统一理论^［34］，将电机理论提高到一个新水平。他首次从能量的角度分析电机特性。在此基础上，多位学者进一步发展出机电能量转换理论^［35］。根据能量守恒定律，电机中存在四种能量形式：电能、机械能、电磁场储能和热能。按照电动机惯例可写出能量方程为

并提出了磁共能概念，磁共能与磁能的关系为

式中，W_m为磁能；为磁共能；i₁为电机绕组电流；ψ₁为磁链。

用图形表示时，磁共能为图1-2中的垂直阴影部分的面积。而磁共能对机械位移的变化率即为电磁转矩

式中，T为电磁转矩；θ为电机机械位移角。

再如，阿德金斯（B.Adkins）等所提出的交流电机统一理论，任何电机通过坐标变换都可以等效为一台原型电机，如图1-3所示。基于该原型电机可以推导出一组表示原型电机电压和电流关系的电压方程式，以及表示转矩和电流关系的转矩方程式，然后采用统一的方法求解^［36］。

表1-1中列出了在电机发展史上具有代表性的电机理论以及它们的适用对象、提出者等信息，这些理论共同构成了经典电机学理论，为以直流电机、感应电机和同步电机为代表的电机技术的发展奠定了坚实的理论基础。