《Wind》：A Perspective on the Normative Performance Description of Electrically Excited Flux-Modulating Machines in Wind Generator Applications
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磁通调制电机（Flux-modulating machines）正在成为值得关注的电机，特别是在风力涡轮机中。由于其无刷中速运行，它们可以部署在可靠性是关键因素的应用中。这一类中两种流行的电机是无刷双馈电机（brushless doubly fed machi
磁通调制电机（Flux-modulating machines）正在成为值得关注的电机，特别是在风力涡轮机中。由于其无刷中速运行，它们可以部署在可靠性是关键因素的应用中。这一类中两种流行的电机是无刷双馈电机（brushless doubly fed machines，BDFMs）和电励磁磁通切换电机（wound-field flux-switching machines，WFFSMs）。尽管这些电机根据类似的磁通交叉耦合原理工作，但它们具有几乎截然不同的描述。虽然BDFMs的低功率密度（单位体积功率）在文献中有详细记载，但WFFSMs通常以其高功率密度而著称。在本文中，对BDFMs和WFFSMs的性能进行了比较，以调和它们在风力发电应用中性能的观点。结果表明，所比较的BDFM和WFFSM拓扑具有相同的性能，但有一些显著细微差别。它们在给定体积下产生相似的功率，其中WFFSM具有更高的效率，但它们的功率因数较低。与传统的拓扑如双馈感应发电机（doubly fed induction generators，DFIGs）相比，两种磁通调制拓扑的功率密度都要低得多。然而，已经证明，一种拓扑（WFFSM或BDFM）的一些设计见解可以转移到另一种拓扑，例如高性能极对组合和磁负载。还应注意，双定子配置等设计发展对两种拓扑都是有益的，因为它们能够显著增加给定体积下产生的功率。
该研究发表在《Wind》，针对风力发电应用中的电励磁磁通调制电机性能描述不一致问题，系统比较了无刷双馈电机（BDFM）与电励磁磁通切换电机（WFFSM）。结果表明两者在相同体积下功率相近，但BDFM功率因数更高，WFFSM效率更高；两者功率密度均显著低于传统双馈感应发电机（DFIG）和电励磁同步电机（EESM）。研究为无刷风电发电机的拓扑选型与设计提供参考，并指出双定子配置可有效提升功率密度。
**研究背景与目的**
环境问题推动可再生能源大规模应用，海上风电因其强风资源而受重视，但恶劣环境对风电机组可靠性提出极高要求。发电机是风电机组（WT）核心部件，传统双馈感应发电机（DFIG）依赖滑环和电刷，存在维护风险；永磁（PM）电机虽无刷且功率密度高，但稀土成本高、供应不稳定且有退磁风险。因此，无刷非永磁电机成为研究热点。无刷双馈电机（BDFM）和电励磁磁通切换电机（WFFSM）是两种代表性的电励磁磁通调制电机，它们虽基于相似磁通交叉耦合原理，但文献中性能描述差异较大——BDFM被认为功率密度低，而WFFSM被宣称高功率密度。目前缺乏直接比较，导致性能认知不统一。为此，研究人员针对这两种拓扑开展对比研究，校准其相对功率密度、效率和功率因数，并与传统电励磁电机对照。
**关键技术方法**
研究人员采用有限元分析（FEA）构建响应面近似（RSA）模型，结合多目标遗传算法（MOGA）对4/6 BDFM和24/10 WFFSM在D400机座尺寸下进行优化设计。所有模型在ANSYS EDT 2024 R1中进行瞬态二维时步FEA仿真，固定外径、叠长等参数，以最大化发电功率为目标，同时满足效率和功率因数约束。BDFM采用50槽带嵌套环的笼型转子，WFFSM采用24槽凸极转子。此外，还设计20极DFIG和EESM作为对照组，在相同转速405 rpm下评估。
**研究结果**
*优化设计结果*：所选BDFM在峰值发电转矩点产生约121 kW功率，效率86.4%，功率因数0.906；WFFSM产生92.3 kW，效率91.7%，功率因数0.83。两者功率相近，但WFFSM效率更高、功率因数更低。
*与传统拓扑对比*：BDFM仅产生DFIG约58%的功率，WFFSM仅产生EESM约51.5%的功率；DFIG效率91.9%、功率因数0.93，EESM效率与功率因数也显著高于磁通调制电机。
*不同励磁水平下的性能*：在50%励磁时，BDFM和WFFSM效率均比满载高，但功率因数下降；30%励磁时，BDFM效率继续提高，WFFSM效率下降，功率因数进一步降低。
**讨论与结论**
讨论指出，磁通调制电机功率密度低因交叉耦合过程磁通利用不充分、定子双绕组共享磁路导致更高饱和，且提高励磁电流会产生收益递减并降低功率因数。WFFSM集中绕组和被动转子带来高效率，但低功率因数要求全功率变换器容量更大；BDFM功率因数较高且速度范围宽，更适合并网无刷运行，但其效率偏低。WFFSM结构简单，频率易调整，适合直驱应用。双定子配置可有效利用转子内部非活跃体积，对提升功率密度有益。研究结论翻译如下：在给定体积内，BDFM和WFFSM产生的功率无显著差异，两者功率密度和功率因数均低于DFIG和EESM。WFFSM因集中绕组和被动转子具有更高效率，而BDFM因笼型嵌套环转子铜耗较高导致效率偏低，但功率因数更高。双定子配置可提升功率，且两种拓扑的设计见解可相互转移。
