第二届电力电子科普征文大赛-二等奖

华中科技大学 刘自程、王光宇、朱荣培、蒋栋、罗翔宇、包木建、朱梓豪

一、从三相到多相的跨越——电机系统的技术进步之路

交流电机，作为现代工业的“心脏”，已逐渐成为支撑国民经济发展和国防重要装备建设的关键与核心。在现代社会，大至国之重器的“上天入地”，小至日常生活的“衣食住行”，处处都能看见交流电机的身影。电机系统相关技术，已经直接关系到各行各业的发展与进步，可以说，电机系统，在现代科技产品中扮演着不可或缺的角色。

国之重器——盾构机

日常生活——电动牙刷

（图片来源于网络）

提到交流电机，大多数人首先想到的或许是经典的三相电机。传统三相电机系统，以其成熟的技术和广泛的应用基础，成为了工业领域的基石。然而，伴随着社会需求日益多元化与高端化，对电机系统的性能需求也随之迈向了“更高、更快、更强”的新高度。尤其是在航空航天、轨道交通、电动汽车等应用领域，伴随着电机系统功率等级的不断攀升，传统三相制供电的局限性日益凸显。如何进一步提升电驱系统的输出功率，以满足日益严苛的应用需求，成为了当前电驱技术发展面临的重大挑战与瓶颈。

众所周知，在电学领域，功率可以表示为电压与电流的乘积：

P=UI

其中，U、I分别为单相电压、单相电流的额定有效值。而对于一台经典的三相电机，由于三相电机存在三套对称功率绕组，因此，三相电机的输出功率公式还应在上式的基础上乘以相数，其额定输出功率可以表示为如下公式：

P=3UI

根据上述公式，显然，如果一台三相电机想要进一步提高输出功率，只能提升电压或电流的有效值，但这在实际应用中往往面临着诸多挑战。变频设备需要承受更高电压或电流，对绝缘、散热、电磁兼容等提出了更高要求，同时增加了成本与技术难度。在诸如舰船推进等应用场景中，由于供电电压和内部空间的有限性，单纯依赖提升电压或电流来增强输出功率可能并非最优解。

那么，如何解决这个问题呢？

相信聪明的你已经发现了，我们还有一个看似是常数，实则为变量的系数——电机相数还没有利用。显然，解锁功率限制的钥匙，就潜藏在电机相数之中。这就是我们今天所探讨的主角——多相电机。

多相电机，顾名思义，是在传统三相电机的基础上，通过增加可控相数来实现性能飞跃的新型电机。相较于三相电机，多相电机在相同功率等级下，显著降低了每相桥臂与绕组所承受电流应力，可以使用低功率等级器件实现大功率调速。多相电机系统凭借这一独特优势，在舰船推进、航空航天、轨道交通等应用场合中，正逐步成为业界瞩目的焦点并受到越来越多的青睐。

二、三相电机vs多相电机：不仅仅是数字的堆砌

通过上面的介绍，我们已经知道，电机系统的多相化拓展是一种突破功率等级限制的有效手段。但多相电机能做的远不止如此。

1. 容错能力——故障亦能行

首先，让我们谈谈多相电机的一大优势——可靠性。在工业应用中，电机系统往往需承受来自高温、潮湿、粉尘等恶劣环境条件的挑战，在巨大的电磁热负荷中有着较高的故障几率。如不及时加以处理，整个系统可能会受到严重影响，甚至导致整个系统瘫痪。

对于一台交流电机，其能够维持健康工作，保证正常输出的前提，是各相绕组电流合成的磁动势为一圆形旋转磁动势，保证了输出转矩的平滑。

圆形磁动势

对于经典半桥拓扑供电的三相电机，当电机系统出现故障后（以断相故障为例），故障相电流将强制约束为零。根据电路原理中KCL定律，剩余健康两相绕组仅能流过大小相同，方向相反的电流。此时，剩余两相绕组电流仅能合成脉振磁动势，导致电机仅能输出脉振转矩，系统运行质量大幅下降。在多电飞机等对可靠性要求极高的应用场景下，这种故障是难以接受甚至是毁灭性的。

脉振磁动势

而多相电机则不同，更多的可控绕组，意味着各相之间互为冗余备份。当电机系统的某相或几相出现故障时，剩余的健康相能够合成椭圆磁动势，依然可以确保电机持续运行，但是转矩脉动有所增大。另外，如果引入容错控制，对剩余的健康相进行电流参考值的调整，仍然能够实现圆形磁动势的合成。虽然容错运行下电机系统的性能可能有所下降（例如损耗增加、峰值转矩降低），但足以保证输出转矩的平滑性和稳定性，继续为系统提供可靠动力。这种容错能力，对于关键设备和具有高可靠性需求的场合来说，大大强化了系统整体的安全性。

椭圆型磁动势

简单来说，一台电机就像一把特殊的“凳子”，电机的各相绕组及对应桥臂就像一条条“凳腿”。对于三相电机，其健康运行下拥有三条正常的“凳腿”，因此能够维持“凳子”的稳定；而当任何一条“凳腿”断裂，“凳子”也将无法维持平稳。但对于多相电机，其所拥有的“凳腿”足够多，在有限数量的“凳腿”断裂下都能维持“凳子”的稳定。

2. 共模电压抑制——电磁干扰克星

如果说容错能力是多相电机的“硬实力”，那么共模电压抑制则是其“软实力”的展现。

电机运行过程中需要根据不同工况改变功率、调整转速，这由电机输入的交流电压决定。随着电力电子技术发展，使用变频器驱动电机，实现交流电压的简易调控已经成为一大主流。变频器并不直接输出连续的正弦电压波形，而是利用半导体器件高速开关形成的高频方波逼近所需要的正弦波，这一过程称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）。PWM技术在提高电机动态响应性能的同时，也产生了“共模电压”这一副产品。

共模电压指各相电压共有的部分，对于常见的三相两电平逆变器，共模电压即为三相电压的平均值。以一个开关周期（通常在微秒级）内的三相PWM电压为例，当某相状态为1时，代表该相电压为正电压（Vdc），为0时则表示负电压（-Vdc），从下图可以看到三相叠加产生共模电压的过程。共模电压的幅值和跳变频率越高，对系统产生的危害越大。

共模电压一方面会产生共模漏电流，侵蚀绕组绝缘和电机轴承，严重影响电机使用寿命；另一方面会对外辐射高频电磁干扰，影响周边用电设备的正常工作。

若能从电磁干扰的源头上对共模电压进行主动抑制甚至消除，这显然相比于在系统中加装共模滤波器等被动方法具有体积与成本上的优势。共模电压因调制而产生，可以改进软件调制算法优化系统的共模特性。从三相共模的例子可以看出，共模电压的电平变化是由某一相的电压状态改变引起的，同时共模电压最大幅值源于此时三相电压状态均为1或0。所以，如果我们能改变每一相电压的分布位置（相位），分散三相电压的重叠程度，就能改善共模电压的波形。

对于三相电机，其调制自由度有限，无论如何改变各相电压相位，都有一相电压无法被抵消，因而无法完全消除共模电压。但对于多相电机，其具有更多的相数，各相电压的组合关系更为丰富，使得共模电压的消除成为可能。例如对于双三相电机，使六相电压在每个开关周期内首尾相接，可以实现“零共模电压”的效果。

3.主动减振降噪——电机系统的消音器

在日常生活中，大家一定被电机工作时的振动“嗡嗡”声困扰过，买电风扇等家用电器时也会关注它的静音性能。电机转矩脉动是造成电机振动的重要原因，长期的振动会导致电机及其连接部件的松动、磨损加剧，在数控机床等高端加工场合，转矩脉动会影响加工表面的光洁度和尺寸精度。

电机定子绕组中的交变基频电流产生旋转磁场，该磁场作为机电转化的媒介，对电机转子形成恒定电磁转矩，从而驱动电机旋转，这是电动机工作的基本原理。然而，逆变器除了向电机提供所需的基频交流电压外，还注入了开关频次的高频谐波电压，从而感生出高频谐波电流。高频谐波电流同样会在电机气隙中形成高频谐波磁场，形成了高频转矩脉动。

不过别担心，得益于多相电机相数增多而带来的丰富调制自由度，同样可以从PWM调制入手，降低电机高频噪声。以双三相电机为例，两套三相绕组的高频谐波电流分别产生两个相对独立的高频脉动转矩。通常情况下，两组高频电流的相位是相同的，因而产生的脉动转矩是同向的，此时两个脉动转矩是标量叠加关系，因此幅值会比较大。当我们对调制时的载波进行相应移相，可以使两组高频电流的相位关系发生改变，从而改变转矩脉动的矢量合成关系。

很显然，如果两个高频转矩脉动可以反相，刚好对消，那么此时合成的高频转矩脉动最小，可以获得相对平滑的电机总转矩Tem。对于二倍开关频附近的电流谐波，载波移相90°，可使对应的高频电流相位差180°，高频转矩脉动相互抵消，此时二倍开关频处的高频振动将得到最大程度的抑制。

三、多相电机的应用场景

经过前面的介绍，相信大家已经对多相电机的优点有了进一步的认识。然而你可能会疑惑为什么多相电机有这么多优点但实际生活中却很少见到呢？这是因为多相电机往往应用于功率需求较大或高可靠性的场合，且与之配套的变频器往往需要独立设计。随着电力电子技术的逐渐成熟，变频器逐渐突破传统三相的相数限制，多相电机也逐渐推广至各行各业中，尤其是在舰船推进、风力发电和新能源汽车等行业中展现出强大的潜力。接下来，笔者用几个典型的应用案例来让大家了解现实生活中的多相电机。

1.舰船推进

电机是船舶电力推进的动力之源，多相电机系统凭借低单相功率和高控制自由度在舰船推进中得到了应用。一个典型的案例是法国Alstom研发的AIM感应电机(具有十五相绕组，额定功率达20MW，额定转速180rpm，重量89吨)，应用于英国伊丽莎白女王号航母，实现了大型舰船的高效推进。

伊丽莎白号航母（来自网络）

2.电动汽车

电机、电控作为新能源汽车“三电”技术的两个重要组成部分，相信大家都有所耳闻。其中，蔚来汽车的ES8旗舰车型充分利用了多相电机低噪声和容错能力的优势，采用前后双电机四轮驱动配置。前轮驱动使用160kW高效永磁电驱动系统，后轮驱动则配备240kW高性能双三相感应电驱动系统。这样的设计不仅提供强大的动力和加速能力，还提升了驾驶的稳定性和舒适性，展示了蔚来在电动汽车领域的创新能力和市场领导地位。

蔚来ES8双三相感应电机及控制器（来自网络）

3.多电飞机

在航空工业中，为确保可靠性，容错设计和冗余技术被广泛采用至多电飞机领域，其中多相电机因其紧凑性和高容错能力备受青睐。意大利都灵理工大学R. Bojoi 等人设计用于飞机引擎的六相外转子永磁发电机，该电机集成在飞机主燃气涡轮发动机内，定子绕组由六相单层非重叠分数槽集中绕组组成，可满足航空航天应用所需的容错要求。

用于飞机引擎的六相外转子永磁发电机（来自网络）

4.电梯

随着近些年超高层建筑的增加，对高速电梯的需求也在上升。传统的三相电驱动系统无法满足这种超高速电梯的要求。为了解决这一问题，韩国Eunsoo Jung及其研究团队开发了一种基于多个三相电压源逆变器的九相永磁同步电机驱动系统。该电机的最大输出功率为1.1MW，最大转矩为40kNm，额定速度为1080m/min，具备更高的容错性和负载均衡能力，确保电梯在超高速运行下的稳定性，这使得多相电机成为现代高层建筑电梯系统的理想选择。

九相永磁同步电机驱动系统及电机测试塔（来自网络）

5.风力发电

在世界能源危机和环境恶化的背景下，清洁能源特别是风力发电逐渐受到重视。多相电机因其高可靠性、容错性能和灵活的控制设计，成为风电系统中的热门选择。其中比较典型的例子是建立在西班牙的歌美飒G10x ，容量为4.5MW的18相永磁同步发电机。

歌美飒18相永磁同步发电机结构图（来自网络）

从上述应用典型案例来看，多相电机已经得到广泛应用，上到天上转的风力发电机，下到地上跑的电动汽车，还有船上的推进系统，可见多相电机已与能源、汽车、国防等领域深度融合。笔者相信，凭借多相电机低噪声高可靠性的优势，未来必将在国民经济发展和国防工业建设等领域中扮演更重要的角色。