第1章 緒論

1.1 電機發展歷史回顧

電機是實現機電能量轉換的電磁裝置。自從1834年Jacobi發明直流電機、1887年Tesla等發明感應電機以來的180多年時間里，電機技術快速發展，其應用領域日益廣泛，已成為支撐國民經濟發展最重要的能源動力裝備之一。功率等級從數兆瓦到數百兆瓦的各類型電機，特別是直流電機、交流感應（異步）電機和交流同步電機這三大傳統電機，為人類社會的發展做出了巨大貢獻^［1-4］。

值得一提的是，與電機大致同期出現的電報機、白熾燈等，已被不斷涌現的新技術所取代而逐步退出歷史舞臺。而電機不僅呈現出頑強的生命力，成為近代工業革命的活化石，而且不斷煥發新的生機，老而不衰、歷久彌新，電機理論和技術的完善、發展和創新從未止步。

隨著電氣化和自動化技術的普及，電機的應用場合已經從常規工業驅動，全面拓展至航空航天、交通運輸、數控設備、機器人等高科技領域，應用地點也從地面立體化延伸拓展到深空、深海、深地。不同應用領域對電機的性能要求不斷細化，傳統的有刷直流電機、感應電機和同步電機已難以滿足新領域、新應用的苛刻要求。與此同時，材料技術、加工制造技術以及控制技術等快速發展，與新的應用需求相結合，催生了各種不同結構特點、不同工作原理、不同性能優勢的新型電機，如磁阻同步電機^［5-7］、永磁無刷電機^［8，9］、游標電機^［10］、無刷雙饋感應電機^［11-13］、無刷雙饋磁阻電機^{［14，15］}、橫向磁通電機^［16］、開關磁阻電機^{［17，18］}、定子永磁無刷電機^［19-22］、永磁游標電機^{［23，24］}、磁齒輪復合電機^［25-28］、雙機械端口電機^{［29，30］}等。

與此同時，電機理論也隨之不斷豐富和完善。除了電機所遵循的電磁感應定律、電磁力定律等基本的物理定律外，為了解決不同電機的性能分析與計算，相應地出現了多種電機理論和分析方法。

例如，針對凸極同步電機的直軸和交軸磁阻不相等給電樞反應計算所帶來的困難，勃朗德（A.Blondel）提出了雙反應理論^{［31，32］}，即當電樞磁動勢F_a的軸線既不與直軸也不與交軸重合時，可以將F_a分解為直軸分量F_ad和交軸分量F_aq（見圖1-1），然后分別求出直軸電樞反應磁場和交軸電樞反應磁場，最后將它們進行疊加。實踐證明，當不計磁路飽和時，采用雙反應理論可取得令人滿意的結果。此后，派克（R.H.Park）進一步將雙反應理論進行概括和拓展，提出了著名的派克變換，從而建立了同步電機穩態和暫態下的電流、電壓、功率和轉矩的通用計算公式^［33］，為同步電機的分析計算帶來了極大方便。

又如，克朗（G.Kron）提出了分析電機的統一理論^［34］，將電機理論提高到一個新水平。他首次從能量的角度分析電機特性。在此基礎上，多位學者進一步發展出機電能量轉換理論^［35］。根據能量守恒定律，電機中存在四種能量形式：電能、機械能、電磁場儲能和熱能。按照電動機慣例可寫出能量方程為

并提出了磁共能概念，磁共能與磁能的關系為

式中，W_m為磁能；為磁共能；i₁為電機繞組電流；ψ₁為磁鏈。

用圖形表示時，磁共能為圖1-2中的垂直陰影部分的面積。而磁共能對機械位移的變化率即為電磁轉矩

式中，T為電磁轉矩；θ為電機機械位移角。

再如，阿德金斯（B.Adkins）等所提出的交流電機統一理論，任何電機通過坐標變換都可以等效為一臺原型電機，如圖1-3所示?；谠撛碗姍C可以推導出一組表示原型電機電壓和電流關系的電壓方程式，以及表示轉矩和電流關系的轉矩方程式，然后采用統一的方法求解^［36］。

表1-1中列出了在電機發展史上具有代表性的電機理論以及它們的適用對象、提出者等信息，這些理論共同構成了經典電機學理論，為以直流電機、感應電機和同步電機為代表的電機技術的發展奠定了堅實的理論基礎。