1.1.1 交流电机

交流电机作为交流电机控制系统中的核心部件，主要包括异步电机和同步电机。异步电机和同步电机的区别在于转子是否直接产生磁场：异步电机是在电枢绕组接入三相交流电源后产生旋转磁场，该电枢磁场在笼型转子或绕线转子中产生感应电流，感应电流在电枢磁场作用下产生磁力作用牵引或推动转子旋转；同步电机是电枢绕组和转子均产生旋转磁场，电枢磁场牵引或推动转子旋转，并且电枢磁场和转子磁场的旋转速度保持一致。

1.异步电机

异步电机的转速与电源频率没有严格的固定关系，而是随负载的变化而变化，但转速范围变化不大。异步电机的定子和转子没有电的联系，能量的传递是通过电磁感应实现。根据转子结构，异步电机分为笼型转子异步电机和绕线转子异步电机两类。笼型转子异步电机和绕线转子异步电机定子结构类似，均由定子铁心和电枢绕组等部分构成，区别在于转子结构。笼型转子异步电机的笼（俗称鼠笼）由铜条（铝条）与铜端环（铝端环）焊接而成，为增大磁导率，笼一般嵌装在转子铁心内，一种铜制笼型转子如图1-2a所示。绕线转子异步电机的转子铁心槽内嵌放着转子绕组，该转子绕组出线端通过集电环和电刷与外电路连通，一种绕线转子如图1-2b所示。相对于绕线转子异步电机，笼型转子异步电机结构简单，成本低，应用较为广泛。

异步电机具有结构简单、成本低、可靠性高、维护工作量低、容易实现弱磁调速等优点，而且控制技术较为成熟。但异步电机转子散热困难，转子电阻受温度影响较大。此外，异步电机转子无励磁源，需从定子侧吸取无功功率产生旋转磁场，故异步电机功率因数低，励磁损耗大，运行效率低。

2.同步电机

同步电机的转速与电源频率关系固定，通过控制电源频率，可实现转速的准确控制。同步电机结构型式多样，按转子结构型式，分为隐极型和凸极型；按励磁方式，分为电励磁型和永磁励磁型。电励磁同步电机能够工作于超前功率因数状态，可补偿感性负载的滞后功率因数，比异步电机具有更好的节能效果。但电励磁同步电机的转子在电枢磁场的作用下平均转矩为零，即同步电机无法自行起动。因此，在交流电机调速控制系统发展初期，很少采用电励磁同步电机。

随着高性能永磁材料、先进电机设计加工技术、电力电子技术、现代控制理论和高精度传感器的发展，同步电机的起动和调速性能不断提高，其在调速领域的应用日益广泛。目前，在交流电机控制系统中常用的同步电机主要为永磁交流电机。相较于电励磁同步电机，永磁交流电机采用永磁励磁，无需从电网吸取无功电流建立气隙磁场，无励磁损耗，电机效率可提高4%～8%。同时，永磁交流电机可实现高功率/转矩密度、优良的动态性能、良好的低速性能和更小的体积。此外，在同样输出功率下，永磁交流电机所需逆变器容量更小，可显著地降低系统的总成本。

永磁交流电机主要包括永磁同步电机和无刷直流电机，如图1-3所示。永磁同步电机和无刷直流电机具有相似的定子和转子结构，即永磁体都安装在转子侧，省掉了励磁绕组；通过功率开关器件实现了电枢绕组的电流换相，省掉了直流电机中的机械换向装置，提高了电机运行可靠性。永磁同步电机和无刷直流电机的运行原理不同，在控制方法、转矩产生和位置信号检测等方面差异较大。永磁同步电机的气隙磁密按正弦波波形分布，而无刷直流电机的气隙磁密按梯形波波形分布，这导致了两种交流电机的电流控制方式存在不同，前者采用正弦波电流控制，后者采用方波电流控制。永磁同步电机的反电动势近似为正弦波，在三相电枢绕组中注入正弦电流，便可获得稳定电磁转矩输出。无刷直流电机电枢绕组中的电流为非理想方波，气隙磁场的极弧宽度也小于180°电角度，输出电磁转矩存在较大波动，不适合在高精度交流电机控制系统中应用。永磁同步电机需要连续位置信号实现高性能控制，一般采用光电编码器、旋转变压器等高分辨率的转子位置传感器，导致了永磁同步电机控制系统的成本偏高。无刷直流电机一般采用两相导通控制模式，每次换相间隔为60°电角度，只需间隔60°电角度的离散位置信号，三个低成本的霍尔位置传感器即可满足其位置检测要求。

近年来，随着新材料、新工艺和新设计工具的出现，同步电机结构不断推陈出新，相继开发了多相永磁同步电机、开关磁阻电机、轴向磁场永磁同步电机及定子永磁型同步电机等。

（1）多相永磁同步电机

功率开关器件的性能和制造工艺限制了三相电机系统的供电水平，一般通过将多个功率开关器件串并联以达到大功率应用场合要求，但功率开关器件存在控制复杂和难以均压和均流问题。采用多相永磁同步电机系统替代三相永磁同步电机系统，不仅降低了平均相电压，也降低了功率开关器件的功率等级，相对地增加了系统容量，有利于大功率输出。同时，多相永磁同步电机系统在发生一相或多相开路故障时，中性点不需要与变频器相连，结合故障前后定子总磁动势不变原理，重新整定相电流大小和相位，适当减少输出功率后可以由非故障相实现电机的断相运行，提升了系统的可靠性。

（2）轴向磁场永磁同步电机

轴向磁场永磁同步电机也被称为盘式永磁同步电机，其气隙为平面型的，气隙磁场呈轴向分布。与径向磁场永磁同步电机相比，轴向磁场永磁同步电机磁力线所在平面与转轴平行，具有高径长比、高转矩密度及高运行效率的特点，尤其适用于电动汽车、飞轮储能、风力发电、船舶推进等转矩密度和结构紧凑度要求较高的应用场景。轴向磁场永磁同步电机结构多样，按照定转子数目可分为四类：单定子/单转子，单定子/双转子，双定子/单转子和多定子/多转子，如图1-4所示。单定子/单转子电机外观简单，容易制造。单定子/双转子电机采用双边永磁体结构，可以充分利用永磁体材料，相同体积下能够产生更大的转矩，有利于提高电机的性能。双定子/单转子电机构造较为复杂，但由于一个转子同时被两个定子共用，可减少永磁体的使用，降低损耗，另外，定子安置在转子两边，便于散热。多定子/多转子电机可进一步提高转矩密度，但加工复杂，装配困难。

（3）定子永磁型同步电机

为克服高速运转时的离心力，传统永磁交流电机通常对转子采取加固措施，如安装由非金属纤维材料或不锈钢制成的套筒，不仅导致转子结构复杂，制造成本高，而且增大了等效气隙，降低了电机性能。同时，永磁体安放在转子上，散热困难，引起的温升会导致永磁体发生不可逆退磁，限制电机出力，减小功率密度。为克服传统永磁交流电机的缺点，近年出现了将永磁体安装于定子侧的定子永磁型同步电机，受到了日益广泛的关注。定子永磁型同步电机主要有磁通反向永磁电机和磁通切换永磁电机两类类，如图1-5所示。每一类型电机在结构上又有很多变化，它们既有共性，又有个体差异性。

如图1-5a所示，磁通反向永磁电机是一种将永磁体安装在定子齿表面的定子永磁型无刷电机，通过在每个定子齿面上安装两块磁化方向相反的永磁体，当转子与定子齿对齐时，根据磁阻最小原理，极性相反的永磁磁通会穿过定子侧的绕组，从而在电枢绕组中匝链极性和数值都随转子位置变化的永磁磁通。磁通反向永磁电机的电枢绕组磁链呈现双极性。在磁通反向永磁电机中，可通过转子斜槽来获得正弦感应电动势。由于永磁体位于定子齿表面，电枢绕组具有较强的相间隔离作用，提高了磁通反向永磁电机的容错能力，减小了电枢电感的变化范围。但磁通反向永磁电机中相邻永磁体之间的漏磁较为严重，永磁体涡流损耗较大，并且功率因数也较低，这些因素在一定程度上限制了该类电机的发展。

如图1-5b所示，磁通切换永磁电机的绕组采用集中绕组，永磁体上端嵌在定子铁心里，与定子外空气不直接接触，转子为凸极结构。当转子齿与同一相线圈下分属于不同定子单元的定子齿对齐时，绕组里匝链的永磁磁通极性会改变，实现了所谓“磁通切换”。因此，随转子位置变化，磁通切换永磁电机电枢绕组中会匝链交变的永磁磁通。磁通切换永磁电机本身具有绕组一致性和绕组互补性，即组成一相的各线圈感应电动势谐波相位互补，使得合成相感应电动势正弦度显著高于单个线圈感应电动势正弦度。经过转子齿宽优化设计后，采用直槽转子和集中绕组的磁通切换永磁电机可获得高度正弦的永磁磁链和空载感应电动势。此外，磁通切换永磁电机的定子单元完全独立，非常适合模块化制造。

3.开关磁阻电机

开关磁阻电机的定子、转子均为双凸极结构，转子无绕组和永磁体，结构简单、坚固，特别适用于高速及高温等应用场合。开关磁阻电机的绕组与功率开关器件串联，同一桥臂上下两个功率开关器件不会同时导通。电机的各相绕组独立分布，一相出现故障不会危及整个控制系统的运行，但影响系统电磁转矩性能。开关磁阻电机的控制参数多，使用不同参数组合可实现多种模式控制，满足航空航天、风力发电和电动汽车等应用场合高可靠性的应用需求。开关磁阻电机存在功率/转矩密度低的不足，而且凸极定转子结构导致电机输出较大的转矩脉动，产生了振动和噪声。