第1章绪论
作为一类新型电机，磁场调制电机无论在原理、结构还是性能特点上均异于常规电机。本章从“调制”一词入手，逐步给出磁场调制电机的定义，阐明磁场调制电机相较于常规电机的差异。由于磁场调制电机结构自由度较大，可进一步形成多种电机类型，在基本定义的基础上，本章进一步介绍目前学术界主要研究的几类磁场调制电机，并简要说明各自的性能特点以及适合的应用领域。
1.1调制的基本概念
“调制”一词*早来源于信号传输领域，是指对原始信号进行数学变换，将其加载到用于传输的载波上，变为适合于信号传输形式的过程。以无线通信为例，其需要传递的原始信号为声音信号，但是人耳能够听到的声音信号频率范围一般为20Hz～20kHz，对应电磁波属于超长波，要将其发射需要架构尺寸庞大的天线；此外，多个信号同时传输时，由于它们位于相同频带内，极易造成相互干扰。为了解决上述两个问题，往往将信号加载至高频率的载波上，从而将低频信号转换为高频信号。经过调制后，首先发射高频信号仅需要小型甚至微型天线；其次多个信号同时传输时，只需要将它们加载至不同频率的载波上，即可避免相互干扰。
在调制过程中，载波常选择为正弦波，其波形由幅值、频率与相位三个指标确定。为了使载波能够携带原始信号，需要调节其中某项指标，使其按照原始信号的规律变化。其中，载波幅值与频率的调节应用较为广泛，而这两种方法也被简称为调幅与调频。
调幅的基本过程如图1.1所示。载波可表示为
（1.1）
式中，代表载波幅值；为载波频率；t为时间。
假设原始信号为，那么，调制后信号可表示为
（1.2）
式中，kS为比例系数。
由式（1.2）可见，调制后信号的频率与载波完全相同，但其幅值与原始信号同步线性变化。在原始信号较大的时刻，调制后信号幅值同样较高；而在原始信号较小的时刻，调制后信号幅值同样较低。或者说，其包络线形状与原始信号基本一致，从而保留了有效信息。
类似地，若将原始信号储存在载波频率中，那么调制后信号Ss可表示为
（1.3）
这种调制方式被称为调频。调频的基本过程如图1.2所示。调制后信号的幅值维持不变，但是在原始信号较大的时刻，调制后信号频率较高；而在原始信号较小的时刻，调制后信号频率较低。
随着电力电子技术的发展，“调制”一词被赋予了更为广泛的意义。通过脉冲宽度调制（pulse-width modulation，PWM）技术，利用绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）构建的逆变器可实现负载输入电压的灵活控制。单相桥式逆变电路如图1.3所示。从图中可见，负载两端电压在管子T1和T4开通、T2和T3关断时为Udc，而在T2和T3开通、T1和T4关断时为-Udc。在电源电压Udc足够大时，通过这两个电平，可模拟出需要的电压信号。
上述过程如图1.4所示，与信号传输领域的调制不同，脉冲宽度调制过程采用的载波为高频三角波，而调制后输出的电压如下：
（1.4）
式中，为符号函数，其自变量为正时函数值取为1，为负时函数值取为-1。
式（1.4）的物理意义如下：在原始信号（待输出电压）超过载波信号电压时，使管子T1和T4开通，从而输出Udc；在待输出电压低于载波信号电压时，使管子T2和T3开通，从而输出。比较图1.4中需要输出的原始电压信号与*终输出的已调信号，可发现两者波形差异极大。然而，若将两者进行傅里叶分解，会发现两者在低频范围（原始电压信号频率）内完全一致，只是已调信号多出了许多载波频率及以上的高次谐波。由于图1.3中负载为感性，高频电压谐波产生的电流较小，可以忽略。因此，通过上述脉冲宽度调制过程，可在较少电平条件下模拟任意的电压信号，使其与实际需要的电压信号作用于负载产生几乎完全相同的电流。
综上所述，本质上而言调制是载波在原始信号作用下按照某种规则作出的数学或物理变换过程。此外，调制过程还存在一个特点，那就是原始信号可以任意变化，但是载波在调制方式确定后是恒定的。也就是说，原始信号是主动的、可变的量，而载波是被动的、不变的量，*终形成的已调信号虽然以载波为基底，但其包含原始信号的全部信息，下面将介绍的磁场调制电机中气隙磁场的产生过程与其十分类似。
1.2磁场调制电机的基本概念
早期，游标永磁电机、开关磁链电机、磁通反向电机、磁齿轮电机等新型电机均被单独研究，并没有形成“磁场调制”的整体概念。直到2015年，作者团队发现上述电机均具有相似的工作原理，且在结构上均可被划分为三个功能单元，遂在国际上首次提出了“磁场调制电机”的概念，而上述各种电机类型均为磁场调制电机三个功能单元具有不同物理结构时的表现形式，这些电机的工作原理也可统一为一套磁场调制理论。这一工作获得了学术界广泛关注，并开展了关于磁场调制电机的大量研究。例如，谢菲尔德大学诸自强教授等利用磁场调制原理分析了定子永磁型电机的工作原理；东南大学程明教授等将磁场调制的过程抽象为“三要素”的数学形式，并据此对多种电机的电磁性能进行了深入分析；马凯特大学El-Refaie教授等在关于游标电机的综述中利用三单元结构以及磁场调制原理解释了其高转矩密度特性。因此，磁场调制电机“三单元”结构已得到学术界认可，本书将其作为基本拓扑与一般性定义。
磁场调制电机的经典拓扑如图1.5（b）所示。不同于图1.5（a）所示的普通表贴式永磁电机，其在电枢绕组与永磁转子（励磁单元）之间增加了由多个导磁块构成的磁场调制单元（简称为调制单元）。由于调制单元的作用，永磁体产生的磁场会变得“畸形”，如图1.6所示。站在空间谐波的角度，调制单元的存在使得气隙中产生了新的磁场谐波。在图1.6的示例中，永磁体励磁磁动势为22对极，如果没有磁场调制单元，则其气隙磁通密度（简称磁密）的主要成分为22对极谐波；而经过调制后，气隙磁密中新出现了2对极谐波。可见，调制单元对于励磁单元的作用，与1.1节介绍的无线电传输和电力电子领域载波对于原始信号的调制作用十分类似，均使得原始信号（磁动势）发生变化。由于图1.5和图1.6中调制作用是针对磁场的，这类电机可以统称为“磁场调制电机”。
根据经典的机电能量转换理论，一台电机正常工作的前提是其电枢绕组极对数必须和空载气隙磁场的极对数相等。因此，磁场调制电机电枢绕组极对数应当选择为由于调制效应新增的磁场极对数。诚然，根据图1.6，经过调制单元作用后，气隙内仍具备与原始磁动势极对数相等的所谓“非调制”磁场，但是如果电枢极对数与其相等，电机没有利用到调制效应，则不能称为磁场调制电机。因此，磁场调制电机的*大特征之一是其励磁单元与电枢极对数不等。
综上，磁场调制电机存在极比（pole ratio，PR）这一变量，其物理意义是电机旋转部分极对数和电枢绕组极对数之比。极比的概念贯穿全书，非常重要。关于极比有如下性质需要说明：
（1）在磁场调制电机中，转子不一定是励磁单元，也可能是调制单元，因此极比不一定是励磁单元与电枢绕组极对数之比，需要根据实际电机拓扑来定，这部分在第2章和第3章会得到更为详细的说明。
（2）第4章会介绍，磁场调制电机中各单元的电磁转矩与其极对数成正比。因此，一种通俗的说法是极比起到了转矩放大的作用。在一定范围内，极比越大，电机转矩密度越大。
1.3磁场调制电机的研究现状
从电磁结构上看，相比于传统永磁电机，磁场调制电机的*大特点是其电枢磁场与励磁磁场的极对数不等。根据这一特点，近年来涌现的一系列新型电机拓扑，包括游标永磁电机、永磁开关磁链电机、永磁磁通反向电机、电励磁双凸极电机等，均属于磁场调制电机。
1.3.1游标永磁电机
游标电机翻译自英文“Vernier motor”，*早可追溯到1963年，由美国工程师Lee从磁阻电机改进而来，如图1.7所示。与普通的磁阻电机不同，其定子齿距与转子齿距不等，转子微小的位移被定子齿放大后造成较大的气隙比磁导轴线移动，这种现象与游标卡尺测量时的放大效果类似，因此命名为游标电机。1995年Ishizaki等提出一种定、转子上均含有磁钢的游标永磁电机拓扑，如图1.8所示，并通过有限元仿真及样机实验对这种拓扑的工作原理及优化设计方法进行了研究。研究显示，相比于之前的游标磁阻电机，该电机转矩密度高，效率和功率因数也有所增加
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