1.2 經(jīng)典電機(jī)學(xué)理論的局限性

盡管經(jīng)典電機(jī)學(xué)理論給傳統(tǒng)直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、同步電機(jī)的分析帶來(lái)了極大的便利，然而在分析大量新結(jié)構(gòu)電機(jī)時(shí)仍顯得力不從心。歸納起來(lái)，經(jīng)典電機(jī)學(xué)理論的局限性主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

1.2.1 電機(jī)理論呈現(xiàn)碎片化

現(xiàn)有電機(jī)理論中，雙反應(yīng)理論用于分析同步電機(jī)^［31-33］，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)理論^［37］和正交磁場(chǎng)理論^［38］用于分析交流電機(jī)，基于磁鏈—電流軌跡的統(tǒng)一轉(zhuǎn)矩生成理論采用數(shù)值手段分析所有電機(jī)^［45］，繞組函數(shù)理論用于分析感應(yīng)電機(jī)、隱極或凸極同步電機(jī)^［43］，基于雙軸原型電機(jī)模型的交流電機(jī)統(tǒng)一理論^［36］和基于等效磁路的統(tǒng)一理論^［41］主要用于分析感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)，可進(jìn)一步擴(kuò)展用于直流電機(jī)。可見(jiàn)，某些理論僅對(duì)部分類(lèi)型電機(jī)有效，并不適用于全部電機(jī)。

此外，某些理論僅能作為電機(jī)性能定量分析的工具，而不能描述電機(jī)的本質(zhì)物理特性，或反之。例如，B.Adkins等基于理想電機(jī)模型建立的交流電機(jī)統(tǒng)一理論^［36］，能準(zhǔn)確描述正弦電流交流電機(jī)，但對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)正弦電流交流電機(jī)，其應(yīng)用效果就要大打折扣；J.Fienne利用等效磁路建立的統(tǒng)一理論^［41］，雖然既可用于交流電機(jī)，也可用于直流電機(jī)，但卻只能用于性能計(jì)算，無(wú)法揭示機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的內(nèi)在機(jī)理和物理本質(zhì)。

另一方面，某些結(jié)構(gòu)上相同或相似的電機(jī)，從不同的角度可理解為不同類(lèi)型的電機(jī)。例如，圖1-4和圖1-5所示電機(jī)，從機(jī)械結(jié)構(gòu)上看，由內(nèi)到外都有三層，即最內(nèi)層的永磁體層、中間的凸極轉(zhuǎn)子層和最外的繞組層。但圖1-4所示電機(jī)被視為磁齒輪復(fù)合電機(jī)^［47］，而圖1-5所示電機(jī)被認(rèn)為是分裂定子磁通切換永磁電機(jī)^［48］。

1.2.2 原理分析存在局限性

面對(duì)一些新型/特種電機(jī)時(shí)，經(jīng)典電機(jī)學(xué)理論不再完全適用，或者說(shuō)經(jīng)典電機(jī)學(xué)理論已難以用于這些新型電機(jī)的工作原理解釋和性能參數(shù)分析。舉例來(lái)說(shuō)，根據(jù)經(jīng)典電機(jī)學(xué)理論與機(jī)電能量轉(zhuǎn)換基本原理^［1，2］，電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的前提之一是定子繞組極對(duì)數(shù)必須等于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)。然而，對(duì)于如圖1-6所示的永磁游標(biāo)電機(jī)（Permanent Magnet Vernier Machine，PMVM）^［23］，其電樞繞組通電后形成1對(duì)極的電樞磁場(chǎng)，但其轉(zhuǎn)子卻有17對(duì)永磁磁極，直觀地看，其定、轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)明顯不等，電機(jī)無(wú)法運(yùn)行；即使考慮繞組磁勢(shì)諧波，17次諧波磁動(dòng)勢(shì)幅值很小，與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩基本可以忽略，該類(lèi)電機(jī)似乎沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。但研究結(jié)果表明，該類(lèi)型電機(jī)不僅能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，而且其轉(zhuǎn)矩密度等性能還要優(yōu)于常規(guī)永磁電機(jī)^［49］，其原因?qū)⒃诒緯?shū)后面解釋。

再如，如圖1-7所示為一臺(tái)定子12槽、轉(zhuǎn)子10極磁通切換永磁電機(jī)（Flux-Switching Permanent Magnet Machine，F(xiàn)SPM）^{［50，51］}，其電樞繞組和永磁體都位于定子，轉(zhuǎn)子為簡(jiǎn)單凸極鐵心。該電機(jī)定子上有12塊永磁體，相鄰永磁體充磁方向相反，形成6對(duì)極的靜止磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子上有10個(gè)凸極，根據(jù)其轉(zhuǎn)速、電流頻率等關(guān)系獲得的等效主極對(duì)數(shù)等于4，既不等于定子永磁磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)，也不等于轉(zhuǎn)子凸極數(shù)，難以用經(jīng)典電機(jī)學(xué)理論中極對(duì)數(shù)的概念來(lái)解釋。

1.2.3 性能分析缺乏統(tǒng)一性

由于電機(jī)理論的碎片化，導(dǎo)致不同類(lèi)型電機(jī)的分析彼此割裂，缺少內(nèi)在統(tǒng)一性。即使對(duì)同為交流電機(jī)的感應(yīng)（異步）電機(jī)和同步電機(jī)，也是沿著兩條獨(dú)立的技術(shù)途徑進(jìn)行分析，所得到的結(jié)果，如等效電路、相量圖、轉(zhuǎn)矩表達(dá)式以及轉(zhuǎn)矩特性曲線，從形式到內(nèi)容都缺少可比性，見(jiàn)表1-2。這種困境在早期應(yīng)用中可能并不突出，因?yàn)楫惒诫姍C(jī)主要用作電動(dòng)機(jī)，同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)，很少有需要將異步電機(jī)與同步電機(jī)直接做比較。但是，近年來(lái)同步電機(jī)（特別是永磁同步電機(jī)）被大量用作電動(dòng)機(jī)，在針對(duì)某種具體應(yīng)用時(shí)，常面臨是選用異步電機(jī)還是同步電機(jī)的問(wèn)題，而現(xiàn)有電機(jī)學(xué)理論難以直接比較二者的性能，只能依據(jù)實(shí)際電機(jī)的測(cè)試結(jié)果做出選擇，不僅給工程實(shí)踐帶來(lái)了諸多不便，也制約了電機(jī)技術(shù)的發(fā)展。