多相电机的奇妙世界(1)：从三相到多相的跨越

本文是第二届电力电子科普征文大赛的获奖作品，来自华中科技大学刘自程、王光宇、朱荣培、蒋栋、罗翔宇、包木建、朱梓豪等投稿。

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。

（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。

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。

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。