1.2 经典电机学理论的局限性

尽管经典电机学理论给传统直流电机、感应电机、同步电机的分析带来了极大的便利，然而在分析大量新结构电机时仍显得力不从心。归纳起来，经典电机学理论的局限性主要体现在以下三个方面。

1.2.1 电机理论呈现碎片化

现有电机理论中，双反应理论用于分析同步电机^［31-33］，旋转磁场理论^［37］和正交磁场理论^［38］用于分析交流电机，基于磁链—电流轨迹的统一转矩生成理论采用数值手段分析所有电机^［45］，绕组函数理论用于分析感应电机、隐极或凸极同步电机^［43］，基于双轴原型电机模型的交流电机统一理论^［36］和基于等效磁路的统一理论^［41］主要用于分析感应电机和同步电机，可进一步扩展用于直流电机。可见，某些理论仅对部分类型电机有效，并不适用于全部电机。

此外，某些理论仅能作为电机性能定量分析的工具，而不能描述电机的本质物理特性，或反之。例如，B.Adkins等基于理想电机模型建立的交流电机统一理论^［36］，能准确描述正弦电流交流电机，但对非标准正弦电流交流电机，其应用效果就要大打折扣；J.Fienne利用等效磁路建立的统一理论^［41］，虽然既可用于交流电机，也可用于直流电机，但却只能用于性能计算，无法揭示机电能量转换的内在机理和物理本质。

另一方面，某些结构上相同或相似的电机，从不同的角度可理解为不同类型的电机。例如，图1-4和图1-5所示电机，从机械结构上看，由内到外都有三层，即最内层的永磁体层、中间的凸极转子层和最外的绕组层。但图1-4所示电机被视为磁齿轮复合电机^［47］，而图1-5所示电机被认为是分裂定子磁通切换永磁电机^［48］。

图1-4 磁齿轮复合电机^［47］

图1-5 分裂定子磁通切换永磁电机^［48］

1.2.2 原理分析存在局限性

面对一些新型/特种电机时，经典电机学理论不再完全适用，或者说经典电机学理论已难以用于这些新型电机的工作原理解释和性能参数分析。举例来说，根据经典电机学理论与机电能量转换基本原理^［1，2］，电机能够实现机电能量转换的前提之一是定子绕组极对数必须等于转子磁场极对数。然而，对于如图1-6所示的永磁游标电机（Permanent Magnet Vernier Machine，PMVM）^［23］，其电枢绕组通电后形成1对极的电枢磁场，但其转子却有17对永磁磁极，直观地看，其定、转子极对数明显不等，电机无法运行；即使考虑绕组磁势谐波，17次谐波磁动势幅值很小，与转子磁场作用产生的转矩基本可以忽略，该类电机似乎没有实用价值。但研究结果表明，该类型电机不仅能实现机电能量转换，而且其转矩密度等性能还要优于常规永磁电机^［49］，其原因将在本书后面解释。

图1-6 永磁游标电机

再如，如图1-7所示为一台定子12槽、转子10极磁通切换永磁电机（Flux-Switching Permanent Magnet Machine，FSPM）^{［50，51］}，其电枢绕组和永磁体都位于定子，转子为简单凸极铁心。该电机定子上有12块永磁体，相邻永磁体充磁方向相反，形成6对极的静止磁场，转子上有10个凸极，根据其转速、电流频率等关系获得的等效主极对数等于4，既不等于定子永磁磁场极对数，也不等于转子凸极数，难以用经典电机学理论中极对数的概念来解释。

图1-7 12/10极磁通切换永磁电机

1.2.3 性能分析缺乏统一性

由于电机理论的碎片化，导致不同类型电机的分析彼此割裂，缺少内在统一性。即使对同为交流电机的感应（异步）电机和同步电机，也是沿着两条独立的技术途径进行分析，所得到的结果，如等效电路、相量图、转矩表达式以及转矩特性曲线，从形式到内容都缺少可比性，见表1-2。这种困境在早期应用中可能并不突出，因为异步电机主要用作电动机，同步电机主要用作发电机，很少有需要将异步电机与同步电机直接做比较。但是，近年来同步电机（特别是永磁同步电机）被大量用作电动机，在针对某种具体应用时，常面临是选用异步电机还是同步电机的问题，而现有电机学理论难以直接比较二者的性能，只能依据实际电机的测试结果做出选择，不仅给工程实践带来了诸多不便，也制约了电机技术的发展。

表1-2 交流感应电机与同步电机的分析模型对比