随着人类电气化水平的逐步提升,人类对电机这一机电能量转换装置的需求呈现出多样化和精细化的趋势。除了传统的直流电机、感应电机和同步电机,多种多样的新型电机结构不断涌现,同时针对各种具体电机结构的分析方法也相继被提出。但总体来看,现有的电机分析理论缺乏通用性和统一性,表现出碎片化的特征。同时由于缺乏强有力的理论指导,电机在结构创新上存在盲目性、随机性、经验性和低效性。本文拟以双电气端口电机为研究载体,基于电磁电机中广泛存在的气隙磁场调制现象初步建立一套电机分析理论,将传统电机结构与新型电机结构在拓扑分析、电磁设计和结构创新等方面进行统一。并以无刷双馈电机为例,应用所提出的统一理论指导不同结构无刷双馈电机的特性分析、性能比较、结构改进和优化设计,验证了统一理论的有效性和优越性。论文主要研究成果包括以下几个方面:1.对国内外无刷双馈电机的研究现状从结构与工作原理、分析与设计方法、应用与控制策略方面进行了广泛而深入的综述。将去刷化的方式总结为永磁、级联和调制。首次将无刷双馈电机按照去刷化方式的不同分为级联式和调制式。2.基于对经典绕组函数法的推导,指出影响气隙磁动势分布的三种方式分别为感应、磁阻和磁障,对应的三种物理形态为短路线圈、简单凸极和多层磁障。基于电磁电机与开关变换器在频域上的相似性,提出统一气隙磁场调制理论,将短路线圈、简单凸极和多层磁障对磁动势分布的影响用调制算子加以描述,使得任一具体的电机结构均可转化为统一的等效气隙模型。将电机中普遍存在的调制现象分为同步(静态)调制和异步(动态)调制,并指出传统直流电机、感应电机和同步电机主要利用同步调制并人为抑制异步调制;而大部分新型电机结构主要利用异步调制并人为增强异步调制。3.利用统一气隙磁场调制理论解析分析三种主要无刷双馈电机和磁通切换电机(无刷双馈电机的特例,定转子采用双边凸极结构、励磁绕组采用单相集中绕组、电枢绕组采用三相分数槽集中绕组、电机始终运行在自然同步转速)的空载气隙磁场分布和电感特性,同时对三种磁场调制器——短路线圈、简单凸极和多层磁障的工作原理进行了深入分析和比较。4.采用螺旋矢量理论建立三种主要无刷双馈电机的动态电路模型,揭示其模型一致性和参数差异性。基于模型一致性,探究了无刷双馈电机的共性问题,如双馈同步运行条件、可能的运行模式及相应的转矩构成、极限运行范围;基于参数差异性,分析了转子阻抗参数对交叉耦合特性、转矩构成和控制复杂度的影响,并给出了不同无刷双馈电机的模型层级结构。5.基于对传统电机设计方法的推导,指出传统电机设计方法不适用于具有多端口和/或多谐波特点的电机结构。以双电气端口电机为研究载体,明确了电机设计中的四个关键概念——线负荷、磁负荷、效率和功率因数,并建立了双电气端口电机的通用气隙功率尺寸方程。基于该通用气隙功率尺寸方程,推导了三种主要无刷双馈电机的转矩密度方程,并完成了相关验证。在有效转子体积、线负荷和磁负荷相同的条件下,借助所得到的转矩密度方程对三种主要无刷双馈电机的转矩密度进行了比较,阐明了无刷双馈电机转矩密度偏低的事实,并揭示出转矩密度偏低的根本原因。对同步调制和异步调制中铁心饱和的机理进行了分析,并给出采用同步调制和异步调制方式工作的两类电机结构中铁心饱和对磁负荷约束的数学描述。6.基于对现有无刷双馈电机转矩密度的比较分析,提出双定子无刷双馈电机结构。在统一气隙磁场调制理论的指导下,提出多种可能的转子结构形式,并对其性能进行定性比较分析,确定双定子无刷双馈电机应当采用双层绕线转子结构以保持较高的转矩密度。建立了双定子无刷双馈电机的设计、加工和测试流程,针对电动汽车应用场合设计并试制了一台7.5 kW原理样机,完成了稳态性能测试,验证设计方法的可行性。7.充分利用无刷双馈电机具有两个物理电气端口的特点,从提高转矩密度和控制灵活性的角度出发,提出无刷双馈电机的两种双逆变器驱动运行模式,按照双逆变器驱动采用主从还是平行结构,提出单电气端口控制和双电气端口控制两种驱动控制模式,并在基于dSPACE 1103/4的无刷双馈电机电动/发电测试平台上完成实验验证。8.研究双定子无刷双馈电机的稳态运行特性,揭示出具体应用场合对无刷双馈电机本体要求的差异性,即按照电动机应用设计的双定子无刷双馈电机不适合用作发电机,反之亦然。这一点与传统直流电机、感应电机和同步电机有很大区别。9.基于对双定子无刷双馈电机稳态发电运行的研究,分别以最大转矩体积比和最大转矩质量比为优化目标,对双定子无刷双馈发电机进行了优化设计,完成了 10 kW工程样机的分析计算,同时对机械结构和稳态温升进行了考虑。与双定子无刷双馈电动机相比,额定运行转速范围内发电机的功率侧较为饱和,而控制侧饱和程度较低,因而具有更强的磁场调节能力,更适合发电运行。