電勵(lì)磁同步電機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁與轉(zhuǎn)矩密度提升技術(shù)發(fā)展綜述

付興賀 江政龍 呂鴻飛 顧勝東 崔維龍

電勵(lì)磁同步電機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁與轉(zhuǎn)矩密度提升技術(shù)發(fā)展綜述

付興賀1江政龍1呂鴻飛2顧勝東1崔維龍1

（1. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院 南京 210096 2. 卡爾斯魯厄理工學(xué)院電氣工程研究所卡爾斯魯厄 76131）

該文首先分析永磁同步電機(jī)和電勵(lì)磁同步電機(jī)的特性差異，指出電勵(lì)磁同步電機(jī)的優(yōu)勢(shì)以及存在的問(wèn)題。其次，歸納梳理了電勵(lì)磁同步電機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁的演變過(guò)程和技術(shù)路線，闡明勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁、諧波勵(lì)磁、感性和容性無(wú)線電能傳輸技術(shù)在勵(lì)磁繞組非接觸供電方面的研究進(jìn)展和應(yīng)用水平。然后，總結(jié)現(xiàn)有磁阻轉(zhuǎn)矩利用技術(shù)、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)改進(jìn)技術(shù)以及轉(zhuǎn)矩軸線平移技術(shù)，指明上述技術(shù)對(duì)電勵(lì)磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩提升的有益效果。最后，指出該領(lǐng)域存在的問(wèn)題，并預(yù)測(cè)未來(lái)研究重點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展方向。

電勵(lì)磁同步電機(jī) 無(wú)刷勵(lì)磁 諧波勵(lì)磁 無(wú)線電能傳輸 轉(zhuǎn)矩密度

0 引言

永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。但是，稀土材料作為戰(zhàn)略資源具有稀缺性和不可再生性，稀土材料價(jià)格受供求關(guān)系及國(guó)際市場(chǎng)管控影響具有波動(dòng)性，稀土材料生產(chǎn)過(guò)程具有高污染性[1-2]。另外，為滿足弱磁升速要求而注入較大的直軸去磁電流將導(dǎo)致永磁電機(jī)的繞組銅耗增加，高速區(qū)的運(yùn)行效率降低[3]。

鑒于國(guó)家的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略思維和永磁電機(jī)固有的技術(shù)問(wèn)題，成本低、勵(lì)磁可控以及設(shè)計(jì)方法成熟的電勵(lì)磁同步電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)電勵(lì)磁電機(jī)）具備一定的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用優(yōu)勢(shì)。2012年，悉尼科技大學(xué)的學(xué)者David G. Dorrell在第38屆工業(yè)電子年會(huì)上提出疑問(wèn)[4]：繞線轉(zhuǎn)子電勵(lì)磁同步電機(jī)是否適合高效高轉(zhuǎn)矩密度汽車(chē)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域？2015年，國(guó)際權(quán)威電機(jī)專(zhuān)家美國(guó)威斯康星大學(xué)的T. A. Lipo教授發(fā)表了題為“被人們忘卻的電勵(lì)磁同步電機(jī)”的文章[5]。2016年，T. A. Lipo教授又在ECCE國(guó)際會(huì)議上作了題為“電機(jī)學(xué)科發(fā)展評(píng)論”的特約報(bào)告[6]。上述文章和報(bào)告指出“傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)正邁進(jìn)文藝復(fù)興時(shí)期”，這一觀點(diǎn)引起了學(xué)術(shù)界和企業(yè)界對(duì)電勵(lì)磁電機(jī)的關(guān)注。從David G. Dorrell教授提出問(wèn)題到現(xiàn)在過(guò)去了近十年時(shí)間，電勵(lì)磁電機(jī)相關(guān)的研究成果不斷涌現(xiàn)，電機(jī)各方面的性能在持續(xù)提升。

由于勵(lì)磁磁場(chǎng)可調(diào)、無(wú)功功率雙向可控，以及較好的短路故障承受能力、較快的機(jī)電暫態(tài)特性，電勵(lì)磁電機(jī)常用于電力系統(tǒng)的發(fā)電領(lǐng)域[7]。但是，隨著電動(dòng)汽車(chē)、全電飛機(jī)、電氣化軌道交通的提出和發(fā)展，電勵(lì)磁電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域有望進(jìn)一步拓展[8-10]。由于勵(lì)磁磁場(chǎng)可調(diào)，電勵(lì)磁電機(jī)多一個(gè)控制自由度，可以進(jìn)一步提升功率因數(shù)，增大峰值功率，提高運(yùn)行效率，非滿載運(yùn)行的效果更為明顯[11-12]。在全球輕型車(chē)測(cè)試規(guī)程中，電勵(lì)磁電機(jī)的效率接近永磁電機(jī)、高于異步電機(jī)。因此，寶馬公司獨(dú)樹(shù)一幟地選擇了電勵(lì)磁電機(jī)作為第五代電驅(qū)技術(shù)，走出了有別于其他競(jìng)爭(zhēng)廠商的技術(shù)路線。

但是，電勵(lì)磁電機(jī)也存在一些無(wú)法回避的技術(shù)問(wèn)題：需要電刷和集電環(huán)為勵(lì)磁繞組供電，緊湊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大；存在勵(lì)磁損耗，單點(diǎn)運(yùn)行效率低于永磁電機(jī)；輸出轉(zhuǎn)矩/功率密度低等。若能解決勵(lì)磁繞組供電問(wèn)題，并提高功率和轉(zhuǎn)矩密度，電勵(lì)磁電機(jī)具有特殊的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值。因此，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家、學(xué)者都在積極推進(jìn)電勵(lì)磁電機(jī)無(wú)刷化進(jìn)程，積極探索勵(lì)磁繞組非接觸能量傳輸新方法，同時(shí)通過(guò)改進(jìn)電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)等手段提升電勵(lì)磁電機(jī)性能，擴(kuò)大電勵(lì)磁電機(jī)的應(yīng)用范圍。

本文首先論述了電勵(lì)磁電機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題；其次，分析電勵(lì)磁電機(jī)勵(lì)磁繞組供電的主流方法及技術(shù)特點(diǎn)；然后，探討磁阻轉(zhuǎn)矩利用、磁偏置技術(shù)的原理，分析電勵(lì)磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩/功率密度提升方法和技術(shù)；最后，對(duì)電勵(lì)磁電機(jī)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行總結(jié)與評(píng)述，指出未來(lái)的研究重點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展方向。

1 電勵(lì)磁電機(jī)的優(yōu)勢(shì)與問(wèn)題

1.1 電勵(lì)磁電機(jī)的優(yōu)勢(shì)

1.1.1 成本優(yōu)勢(shì)

就材料消耗而言，電勵(lì)磁電機(jī)無(wú)永磁體，雖然繞組用銅多，但鐵心疊片可以更少。盡管銅價(jià)高于疊片價(jià)格，但稀土永磁材料的價(jià)格遠(yuǎn)高于銅價(jià)。所以，電勵(lì)磁電機(jī)的材料成本可以低于永磁電機(jī)。針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用，作者團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了永磁電機(jī)和電勵(lì)磁電機(jī)的設(shè)計(jì)、計(jì)算和性能、成本的對(duì)比分析工作。對(duì)于具有相同性能指標(biāo)和尺寸要求的永磁電機(jī)和電勵(lì)磁電機(jī)，表1給出了兩種電機(jī)主要部件的材料用量，并按照材料的市場(chǎng)價(jià)格計(jì)算了電機(jī)成本，由于加工、制造等工藝成本的變數(shù)較大，暫作忽略處理。可見(jiàn)，在保持電機(jī)尺寸和功率指標(biāo)相同的前提下，電勵(lì)磁電機(jī)具有一定的成本優(yōu)勢(shì)。

表1 兩種電機(jī)主要指標(biāo)和材料成本對(duì)比

Tab.1 Comparison of performance index and material cost between PMSM and WFSM designed by the authors

英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的諸自強(qiáng)教授對(duì)2010款豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車(chē)用永磁電機(jī)和其自行設(shè)計(jì)的電勵(lì)磁電機(jī)進(jìn)行了對(duì)比分析[13]。在保持相同的定子外徑、有效軸向長(zhǎng)度、有效氣隙、極槽配合、每相串聯(lián)匝數(shù)的前提下，兩種電機(jī)的有效材料用量見(jiàn)表2。按照主要材料的國(guó)內(nèi)價(jià)格，作者計(jì)算出了兩種電機(jī)的材料成本，同樣驗(yàn)證了電勵(lì)磁電機(jī)具有一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

表2 文獻(xiàn)[13]給出的兩種電機(jī)材料用量和計(jì)算所得成本

Tab.2 Comparison of material consumption and cost between PMSM and WFSM in Ref. [13]

1.1.2 性能優(yōu)勢(shì)

由于勵(lì)磁電流可控，在全速域范圍內(nèi)電勵(lì)磁電機(jī)均能產(chǎn)生較大的輸出轉(zhuǎn)矩，獲得飽滿的動(dòng)態(tài)加減速特性，尤其是對(duì)于中高速運(yùn)行區(qū)間更為明顯。對(duì)于永磁電機(jī)，很難兼顧高速區(qū)恒功率特性和低速區(qū)大轉(zhuǎn)矩特性，即恒功率區(qū)間較窄，且存在一個(gè)電磁方案限定的轉(zhuǎn)速上限。對(duì)于電勵(lì)磁電機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，可以始終保持恒定的機(jī)械功率輸出，不存在電磁方案決定的轉(zhuǎn)速上限，擴(kuò)速能力較強(qiáng)[14]。電勵(lì)磁電機(jī)具有極佳的負(fù)載兼容能力：對(duì)于滿載運(yùn)行，通過(guò)增強(qiáng)磁場(chǎng)，可以產(chǎn)生更大的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩；對(duì)于輕載運(yùn)行，可以減小勵(lì)磁電流，降低勵(lì)磁損耗。勵(lì)磁電流的靈活可控意味著無(wú)需調(diào)節(jié)電樞繞組中的無(wú)功電流，即可降低供電電源的容量要求。此外，當(dāng)供電電源達(dá)到輸出極限時(shí)，電勵(lì)磁電機(jī)的功率因數(shù)和輸出轉(zhuǎn)矩仍處于可控狀態(tài)。上述優(yōu)勢(shì)是永磁電機(jī)難以企及的。另外，電勵(lì)磁電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁電流相關(guān)，直軸電感大于交軸電感，短路時(shí)對(duì)應(yīng)的直軸電流小于交軸電流，上述特點(diǎn)說(shuō)明電勵(lì)磁電機(jī)具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。考慮故障情況（永久短路、緊急停機(jī)等），可以切斷勵(lì)磁電流以保障系統(tǒng)安全，從而降低了對(duì)電力電子方面所采取的安全措施的要求。

1.1.3 效率優(yōu)勢(shì)

勵(lì)磁電流具有調(diào)配電機(jī)性能和效率的作用，勵(lì)磁可調(diào)意味著性能和效率的平衡可控。電勵(lì)磁電機(jī)的單點(diǎn)效率高于異步電機(jī)，綜合效率接近甚至可能超過(guò)永磁電機(jī)。諸自強(qiáng)教授以2010款普銳斯電動(dòng)汽車(chē)用永磁電機(jī)為參考，在保證相同尺寸的前提下，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款電勵(lì)磁電機(jī)，并計(jì)算了二者在0～14 000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的系統(tǒng)效率。分析計(jì)算結(jié)果表明，電勵(lì)磁電機(jī)和永磁電機(jī)的最高效率分別達(dá)到了94%和96%，在全速度范圍內(nèi)兩種電機(jī)的單點(diǎn)效率差也一直維持在2%左右。但是，電勵(lì)磁電機(jī)的恒功率范圍更寬，而永磁電機(jī)的高效區(qū)面積更大。T. A. Lipo教授將2007款凱美瑞電動(dòng)汽車(chē)用永磁電機(jī)和一臺(tái)14.5kW商業(yè)電勵(lì)磁電機(jī)進(jìn)行比較并指出[5]：在額定轉(zhuǎn)速以下，電勵(lì)磁電機(jī)的效率接近93%，低于永磁電機(jī)；但在額定轉(zhuǎn)速以上，通過(guò)減小勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)弱磁升速，電勵(lì)磁電機(jī)的效率甚至比永磁電機(jī)弱磁控制時(shí)的效率高，且效率93%以上的區(qū)域面積更大。也有學(xué)者針對(duì)基于耦合變壓器的電勵(lì)磁電機(jī)進(jìn)行研究，并與內(nèi)嵌式永磁電機(jī)進(jìn)行比較，同樣得到了電勵(lì)磁電機(jī)高速區(qū)運(yùn)行效率更高的結(jié)論[15]。

針對(duì)表1提及的永磁電機(jī)和電勵(lì)磁電機(jī)，作者計(jì)算了0～16 000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)電勵(lì)磁電機(jī)和永磁電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行和發(fā)電運(yùn)行時(shí)的效率，結(jié)果如圖1所示，圖中轉(zhuǎn)矩基值為永磁電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。圖1表明，電勵(lì)磁電機(jī)和永磁電機(jī)的單點(diǎn)最高效率均能夠達(dá)到97%；在全速度范圍內(nèi)，電勵(lì)磁電機(jī)的效率與永磁電機(jī)的效率相當(dāng)，尤其是高速區(qū)效率甚至高于永磁電機(jī)。但是，在額定轉(zhuǎn)速附近，永磁電機(jī)的高效區(qū)面積略大于電勵(lì)磁電機(jī)。為了考慮不同時(shí)速運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短的綜合效率，以典型的全球輕型車(chē)輛統(tǒng)一試驗(yàn)程序（Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure，WLTP）規(guī)定的工況為例，作者計(jì)算了兩種電機(jī)的綜合效率指標(biāo)，圖1中的“白色圓圈”表示考慮WLTP工況時(shí)電勵(lì)磁電機(jī)和永磁電機(jī)的實(shí)際工作點(diǎn)。在WLTP工況約束下，計(jì)算電勵(lì)磁電機(jī)和永磁電機(jī)的平均綜合效率分別為95.1%和95.3%，永磁電機(jī)略占優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，永磁電機(jī)和電勵(lì)磁電機(jī)具有不同的性能優(yōu)勢(shì)，應(yīng)該結(jié)合具體運(yùn)行工況、控制策略等合理評(píng)價(jià)。作者認(rèn)為，就綜合性能而言，永磁電機(jī)的優(yōu)勢(shì)更為突出。但是，當(dāng)出現(xiàn)永磁體價(jià)格上漲導(dǎo)致永磁電機(jī)的成本大幅增加，以及考慮政治因素影響導(dǎo)致永磁體無(wú)法正常供應(yīng)時(shí)，電勵(lì)磁電機(jī)是一種具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的替代方案。

圖1 作者研究的電勵(lì)磁電機(jī)和永磁電機(jī)的效率分布

1.2 制約電勵(lì)磁電機(jī)應(yīng)用與發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題

除了具有上述優(yōu)勢(shì)，電勵(lì)磁電機(jī)也面臨著一些問(wèn)題：需要電刷、集電環(huán)為勵(lì)磁繞組供電，轉(zhuǎn)矩密度和功率密度有待提高等。電刷集電環(huán)式勵(lì)磁系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、響應(yīng)快等特點(diǎn)，但需要定期維護(hù)，易產(chǎn)生粉塵污染，不能用于爆炸環(huán)境，且勵(lì)磁功率受限。對(duì)于工業(yè)或電氣化交通領(lǐng)域應(yīng)用，電刷集電環(huán)勵(lì)磁會(huì)引起結(jié)構(gòu)、可靠性、應(yīng)力、發(fā)熱等問(wèn)題：首先，考慮摩擦產(chǎn)生的粉塵和火花，需要將固定在轉(zhuǎn)軸上的電刷集電環(huán)置于機(jī)殼和軸承之外，導(dǎo)致電機(jī)軸向長(zhǎng)度增加。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用，軸向長(zhǎng)度的增加與電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)緊湊化趨勢(shì)不符。其次，為增加電刷的導(dǎo)電性能、降低電阻率，會(huì)在電刷材料中增加銅元素。隨著銅元素含量的升高，電刷附著性能變差，電機(jī)運(yùn)行時(shí)電刷甚至出現(xiàn)不規(guī)則跳動(dòng)。再次，高轉(zhuǎn)速對(duì)電刷材料的可靠性提出挑戰(zhàn)。電刷能夠承受的速度極限約在30～40m/s，電動(dòng)汽車(chē)用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速近萬(wàn)轉(zhuǎn)，幾乎達(dá)到甚至超過(guò)電刷的速度極限，此時(shí)穩(wěn)定的電流傳輸難以保障。最后，電刷與集電環(huán)接觸以及電流流過(guò)繞組會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，澆注集電環(huán)基質(zhì)的環(huán)氧樹(shù)脂難以同時(shí)承受較高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，易產(chǎn)生開(kāi)裂，甚至損壞。

另外，電勵(lì)磁電機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)來(lái)源于勵(lì)磁電流，在氣隙磁通密度基波幅值相同的前提下，電勵(lì)磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)質(zhì)量和體積會(huì)超過(guò)永磁電機(jī)，導(dǎo)致電勵(lì)磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率密度不高。寶馬公司2018年推出的電驅(qū)動(dòng)用永磁電機(jī)的峰值功率密度突破了15kW/kg，對(duì)于無(wú)稀土永磁電機(jī)的峰值功率密度有可能超過(guò)7kW/kg。歐洲Brusa公司2014年推出的一款電勵(lì)磁電機(jī)的峰值功率密度達(dá)到3.3kW/kg，最大轉(zhuǎn)矩密度為5.9N·m/kg。可見(jiàn)，與永磁電機(jī)相比，電勵(lì)磁電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩密度指標(biāo)還處于劣勢(shì)，可以通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改進(jìn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等手段加以提高。

2 電勵(lì)磁電機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁技術(shù)

1950年，國(guó)外學(xué)者克萊倫斯提出了無(wú)刷勵(lì)磁方法，后來(lái)世界各個(gè)國(guó)家陸續(xù)從電機(jī)本體結(jié)構(gòu)和勵(lì)磁電源供給方式兩方面給出了新措施和新方案[16-17]。目前，主流的無(wú)刷勵(lì)磁方法包括勵(lì)磁機(jī)方案、“集成”勵(lì)磁機(jī)方案和無(wú)線能量傳輸方案。針對(duì)每種方案，考慮輔助電源的能量產(chǎn)生原理、來(lái)源的不同，整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異及電源與電路的組合變化，可衍生出更為詳細(xì)的配置，具體如圖2所示。

圖2 電勵(lì)磁電機(jī)勵(lì)磁繞組供電方式

2.1 勵(lì)磁機(jī)式勵(lì)磁系統(tǒng)

勵(lì)磁機(jī)式無(wú)刷勵(lì)磁技術(shù)實(shí)際上是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)作為主電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)，此時(shí)主電機(jī)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)保持不變，勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子三相繞組輸出的交流電經(jīng)整流后直接接入主機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)建立方法有多種，如圖3所示。依托直流勵(lì)磁繞組，直流電源可來(lái)自于主電機(jī)輸出端旁路后經(jīng)整流變換的輸出、獨(dú)立的直流電源、獨(dú)立交流電源整流變換的輸出、副勵(lì)磁機(jī)電樞繞組變換輸出；也可用永磁體代替勵(lì)磁機(jī)定子側(cè)的勵(lì)磁繞組；或者基于感應(yīng)電機(jī)原理，利用兩相或三相繞組建立勵(lì)磁磁場(chǎng)；甚至考慮直流電源的間歇性、不穩(wěn)定性以及容量等因素，構(gòu)建輔助直流電源與永磁體共用、旁路直流電源與永磁體共用、旁路直流電源與副勵(lì)磁機(jī)共用等勵(lì)磁方案。勵(lì)磁機(jī)的電樞繞組可以是三相交流繞組，也可以是雙三相星形繞組。

圖3 勵(lì)磁機(jī)式勵(lì)磁磁場(chǎng)建立方法

2.2 “集成”勵(lì)磁機(jī)式勵(lì)磁系統(tǒng)

將勵(lì)磁機(jī)與主機(jī)合并，共用一套定轉(zhuǎn)子鐵心，從而衍生出“集成”勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁方案[18]。當(dāng)勵(lì)磁電源的工作頻率非系統(tǒng)的基波頻率時(shí)，又稱(chēng)為諧波勵(lì)磁方案[19]，而且以該方案居多。對(duì)于諧波勵(lì)磁而言，電機(jī)結(jié)構(gòu)已與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)有所區(qū)別。諧波勵(lì)磁方式要求電機(jī)中存在一套額外的諧波繞組，用以捕獲氣隙磁場(chǎng)中的諧波磁場(chǎng)能量，從而構(gòu)建出勵(lì)磁電源。根據(jù)諧波繞組配置及諧波磁場(chǎng)來(lái)源的不同，目前文獻(xiàn)報(bào)道的諧波勵(lì)磁方式如圖4所示。

圖4 “集成”勵(lì)磁機(jī)式勵(lì)磁方法分類(lèi)

諧波勵(lì)磁的研究重點(diǎn)在于諧波磁場(chǎng)的生成方式。在定子側(cè)設(shè)置諧波繞組，利用主機(jī)固有的諧波磁場(chǎng)，諧波繞組中被動(dòng)地感應(yīng)出交流電動(dòng)勢(shì)。這種方式年代久遠(yuǎn)，可控性較差，需要電刷、集電環(huán)。在轉(zhuǎn)子側(cè)設(shè)置諧波繞組，可以在轉(zhuǎn)軸上安裝整流裝置，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷勵(lì)磁，是“集成”勵(lì)磁式勵(lì)磁系統(tǒng)的發(fā)展方向，“集成”勵(lì)磁機(jī)式無(wú)刷勵(lì)磁方案可能的系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。

圖5 “集成”勵(lì)磁機(jī)式無(wú)刷勵(lì)磁方案

2.2.1 轉(zhuǎn)子單相諧波繞組

早期，諧波勵(lì)磁技術(shù)主要利用3次諧波，后來(lái)通過(guò)與電機(jī)本體結(jié)構(gòu)、控制方式結(jié)合誕生出眾多諧波利用技術(shù)，相關(guān)成果體現(xiàn)出一定創(chuàng)新和巧妙。

美國(guó)T. A. Lipo教授與韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)的研究人員合作，所提出的勵(lì)磁方案采用4極三相電樞繞組和12極諧波繞組，利用單臺(tái)逆變器為電樞繞組供電，定子三相繞組每一相并聯(lián)一組開(kāi)關(guān)管[20]。在電樞電流正負(fù)半周接近過(guò)零點(diǎn)處開(kāi)關(guān)管短時(shí)接通，在電樞繞組中產(chǎn)生零序電流。隨著開(kāi)關(guān)的連續(xù)開(kāi)斷運(yùn)行，在電樞繞組中產(chǎn)生3次諧波電流，再由3次諧波磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子側(cè)諧波繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。該方案無(wú)需利用額外繞組和逆變器向電樞繞組中注入諧波，只利用了電樞磁動(dòng)勢(shì)的3次諧波。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的學(xué)者給出了定子側(cè)同時(shí)放置4極三相電樞繞組和6極單相諧波產(chǎn)生繞組，轉(zhuǎn)子側(cè)放置6極諧波感應(yīng)繞組和4極勵(lì)磁繞組的設(shè)計(jì)方案[21]，該方案可以充分利用3次諧波，且具有諧波磁場(chǎng)獨(dú)立控制、磁場(chǎng)建立容易的特點(diǎn)。該方案需要在定子側(cè)增設(shè)輔助繞組，并向其中注入諧波電流，增加了電機(jī)定子和逆變器的復(fù)雜性。因此，針對(duì)開(kāi)繞組和半開(kāi)繞組電機(jī)，中韓學(xué)者又提出了同時(shí)利用定轉(zhuǎn)子3次諧波合成磁場(chǎng)的新方法[22-24]。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于3次諧波與基波解耦，因此電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)可以不依賴負(fù)載電流而獨(dú)立控制。但這種方法要求兩套逆變器同時(shí)運(yùn)行、協(xié)調(diào)控制，且逆變器容量要求高，系統(tǒng)造價(jià)昂貴，而且初始磁場(chǎng)建立困難。

2.2.2 轉(zhuǎn)子三相或多相諧波繞組

2018年，印度理工學(xué)院學(xué)者研究了基于感應(yīng)電機(jī)原理的無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)。與前述諧波勵(lì)磁方法相比，該方案的特征在于轉(zhuǎn)子側(cè)采用了三相諧波感應(yīng)繞組。因此，該方案與傳統(tǒng)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁方案更為接近，相當(dāng)于同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)同軸連接。為了避免磁場(chǎng)耦合，兩部分的極對(duì)數(shù)不同。文獻(xiàn)[25-26]分別給出了同步電機(jī)和異步電機(jī)2/6極組合和4/6極組合的設(shè)計(jì)方案。感應(yīng)電機(jī)工作在自勵(lì)模式或零功率模式，即不需要外部電源提供有功功率。通過(guò)控制感應(yīng)電機(jī)定子側(cè)的電流，實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)。

前述部分方法存在基波磁動(dòng)勢(shì)和諧波磁動(dòng)勢(shì)的耦合，在低速階段很難實(shí)現(xiàn)電樞主磁場(chǎng)和諧波磁場(chǎng)的獨(dú)立控制，因?yàn)榈退贂r(shí)諧波繞組中感應(yīng)出的電壓較低，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)建立較難。為了在零速或低速獲得較大轉(zhuǎn)矩，慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防大學(xué)提出在電機(jī)定子側(cè)采用新型多相分?jǐn)?shù)槽非對(duì)稱(chēng)集中繞組，每槽線圈單獨(dú)與DC-AC模塊連接，這種連接方式可以產(chǎn)生頻率和幅值可控的多樣化的磁動(dòng)勢(shì)[27]。轉(zhuǎn)子側(cè)放置兩套繞組（諧波繞組-感生電動(dòng)勢(shì)，勵(lì)磁繞組-建立勵(lì)磁磁場(chǎng)）和多相整流裝置。上述配置具有較大的靈活性，通過(guò)控制方式的組合實(shí)現(xiàn)極對(duì)數(shù)可控、諧波磁場(chǎng)頻譜可調(diào)。最終，形成了零速、低速和高速下分別利用諧波電流（主動(dòng)構(gòu)建）、諧波電流和電樞繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波、磁動(dòng)勢(shì)諧波建立勵(lì)磁磁場(chǎng)的三種模式，實(shí)現(xiàn)了零速和低速下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的提升。

2.2.3 電機(jī)空間諧波利用技術(shù)

上述方法可以視為通過(guò)控制注入電機(jī)繞組的電流形成不同的諧波頻譜和諧波含量，從而在轉(zhuǎn)子諧波繞組中收集諧波能量。除此之外，還有學(xué)者提出從電機(jī)本體結(jié)構(gòu)入手，構(gòu)建諧波磁場(chǎng)，從而避免電路拓?fù)涓脑旌统杀驹黾印５湫偷姆椒òㄈ毡緦W(xué)者提出的轉(zhuǎn)子雙極式結(jié)構(gòu)[28]，即轉(zhuǎn)子包括I極（放置諧波繞組，收集諧波能量）和E極（放置勵(lì)磁繞組，建立勵(lì)磁磁場(chǎng)）。而且，通過(guò)調(diào)整I極的參數(shù)，可以改變收集諧波的頻次[29]。但是這種依靠特殊結(jié)構(gòu)建立的諧波磁場(chǎng)能量較低，尤其是在低速情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度低于內(nèi)置式永磁同步電機(jī)（Inner-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM）。此時(shí)，還需通過(guò)控制器注入時(shí)間諧波，以增強(qiáng)諧波磁場(chǎng)的能量[30]。針對(duì)5.4MV×A的大功率電勵(lì)磁電機(jī)，美國(guó)ABB公司的研究人員提出利用氣隙磁場(chǎng)的19次齒槽諧波感應(yīng)出勵(lì)磁電勢(shì)，走出了一條與眾不同的技術(shù)路線。文獻(xiàn)[31]給出了齒槽諧波利用的基本原理、電機(jī)設(shè)計(jì)方法以及仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明該方法具有潛在應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)前景。為去除產(chǎn)生的諧波繞組，德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防大學(xué)的學(xué)者充分利用電機(jī)的極槽配合，構(gòu)建了10極18槽的新概念電勵(lì)磁電機(jī)，該電機(jī)以5次諧波磁場(chǎng)為工作磁場(chǎng)，利用13次諧波建立諧波磁場(chǎng)，為轉(zhuǎn)子諧波感應(yīng)繞組提供勵(lì)磁磁場(chǎng)[32-33]。

綜上所述，目前主要的諧波利用方法及其區(qū)別見(jiàn)表3。

表3 典型諧波勵(lì)磁方案比較

Tab.3 Comparison of typical harmonic excitation schemes

2.3 無(wú)線能量傳輸式勵(lì)磁系統(tǒng)

無(wú)線能量傳輸式勵(lì)磁系統(tǒng)分別在電機(jī)定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)安裝能量發(fā)送和接收裝置，以電場(chǎng)或磁場(chǎng)為媒介將能量從定子側(cè)傳送到轉(zhuǎn)子側(cè)[34]。圖2c展示了在電機(jī)轉(zhuǎn)軸一端放置一套具有旋轉(zhuǎn)和固定線圈或極板的電能變換裝置的基本結(jié)構(gòu)，主要包括電感耦合和電容耦合兩種能量傳輸技術(shù)。

2.3.1 電感耦合式能量傳輸技術(shù)

2018年，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和通用汽車(chē)公司將該技術(shù)應(yīng)用于牽引電機(jī)，成功突破了電刷集電環(huán)的束縛[12, 15]。圖6給出了電感耦合式無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。目前，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家、甚至發(fā)展中國(guó)家都在積極開(kāi)展電感耦合式電勵(lì)磁電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究，包括美國(guó)[12,15]、德國(guó)[35-38]、日本[39]、瑞典[40]，法國(guó)[41]、羅馬尼亞[42]、斯洛文尼亞[43]等，其中德國(guó)的研究投入最大，漢諾威大學(xué)、斯圖加特大學(xué)、宇航中心、紐倫堡應(yīng)用技術(shù)大學(xué)、漢諾威電驅(qū)系統(tǒng)研發(fā)中心、BMW公司、Continental集團(tuán)、Mahle集團(tuán)都陸續(xù)報(bào)道了最新的研究成果。國(guó)內(nèi)的哈爾濱理工大學(xué)[44]、東南大學(xué)[45]也開(kāi)展了相關(guān)研究，尤其東南大學(xué)探索了無(wú)鐵心磁耦合諧振式能量傳輸技術(shù)，獲取了大氣隙下能量傳輸特性，為電感耦合式能量傳輸技術(shù)在高速電勵(lì)磁電機(jī)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。表4對(duì)部分文獻(xiàn)提及的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，并概括出它們的關(guān)鍵特征和技術(shù)差異，文獻(xiàn)[43]還給出了其他的技術(shù)方案。

圖6 電感耦合式無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)

電感耦合式能量傳輸技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、配置靈活的特點(diǎn)[46]，該技術(shù)所依托的旋轉(zhuǎn)變壓器可以采用軸向結(jié)構(gòu)、徑向結(jié)構(gòu)或盤(pán)式結(jié)構(gòu)。變壓器鐵心主要以鐵氧體為主，繞組多由銅箔或利茲線繞制而成，從而減小繞組的高頻損耗。由于鐵氧體材料具有易碎性，德國(guó)萊布尼茲-漢諾威大學(xué)的學(xué)者提出將電工鋼材料作為旋轉(zhuǎn)變壓器的磁心，探討了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法和性能提升效果[36]，并在文獻(xiàn)[47]中對(duì)比了鐵氧體、電工鋼以及軟磁復(fù)合（Soft Magnetic Composite, SMC）材料的優(yōu)缺點(diǎn)。除了結(jié)構(gòu)以外，旋轉(zhuǎn)變壓器的電磁設(shè)計(jì)、特性分析和數(shù)學(xué)建模等內(nèi)容對(duì)能量傳輸特性有重要影響。德國(guó)學(xué)者建立了變壓器的等效電路模型和損耗計(jì)算模型，探討了不同頻率下的損耗特性，有助于全面理解和認(rèn)識(shí)電感耦合式能量傳輸系統(tǒng)的機(jī)理和特性，為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)[37]。

表4 電感耦合式無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

Tab.4 Technical parameter of inductive coupled brushless excitation system

電感耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)需要利用逆變器和整流器對(duì)電能進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換，變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直接決定了系統(tǒng)能量的傳輸效率。有源橋式逆變電路輸出電流近似方波或梯形波，諧波含量高，繞組損耗大。串聯(lián)諧振技術(shù)可改善電流波形使之更接近正弦波，降低繞組損耗，提高變換器效率。2016年，美國(guó)學(xué)者Gary William申請(qǐng)了專(zhuān)利，提出利用電容與電感諧振的電能變換拓?fù)洌⒅赋鲈谕萘康碾姍C(jī)中，該方案的總體尺寸與質(zhì)量明顯減小[48]。東南大學(xué)譚林林教授在文獻(xiàn)[49]中介紹了磁耦合諧振式無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)構(gòu)的工作原理，并設(shè)計(jì)了幾種不同的諧振器，開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了相關(guān)方案的可行性。交-直-交變換器中往往設(shè)置有大電容濾波環(huán)節(jié)，大容量濾波電容器占用較大的安裝空間, 導(dǎo)致變換器體積增大。T. A. Lipo教授設(shè)計(jì)了一種基于單相矩陣變換器的電感耦合式無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)[50]，AC-AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)需大容量濾波電容，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尤其在中頻運(yùn)行時(shí)效率較高。逆變電路的工作頻率決定了變壓器的體積，影響著系統(tǒng)效率。電感耦合式無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的工作頻率多集中在幾十～幾百kHz頻段（見(jiàn)表4），德國(guó)的幾所研究單位在追求著更高的工作頻率，分別為160kHz[38]、200kHz[35]和400kHz[37]，相關(guān)研究也證明了方案的可行性，為后續(xù)該技術(shù)的實(shí)用化提供了有益參考。

2.3.2 電容耦合式能量傳輸技術(shù)

美國(guó)威斯康星大學(xué)的D.C.Ludois教授則一直致力于推動(dòng)電容耦合技術(shù)在電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用，所提出的電容耦合式無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。從2011年開(kāi)始，近10年的持續(xù)研究使得D.C.Ludois教授在電容耦合無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的基本概念[51]、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[52]、功率密度[53]、電磁設(shè)計(jì)[54]、寄生參數(shù)[51-52]和應(yīng)用技術(shù)[55]等方面取得了突出的研究成果。他所領(lǐng)導(dǎo)的課題組系統(tǒng)地研究了圓筒式和平行盤(pán)式結(jié)構(gòu)，指出單位體積的平行盤(pán)式結(jié)構(gòu)具有較大電容量，是電容耦合式無(wú)刷勵(lì)磁的首選方案[52]。該小組所報(bào)道的三種設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表5，通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和合理化設(shè)計(jì)，后期系統(tǒng)的傳輸功率和效率大幅提高。將研究成果應(yīng)用于一臺(tái)峰值功率55kW，額定功率30kW的電勵(lì)磁工程樣機(jī)，成功地驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)的可行性。為了提升容性功率傳輸系統(tǒng)的功率密度，D.C.Ludois教授提出在電容極板之間添加媒質(zhì)，形成流體薄膜，增大電容密度和運(yùn)行可靠性[56]。

圖7 耦合電容式無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)

表5 電容耦合式無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

Tab.5 Technical parameter of capacitive coupled brushless excitation system

2.3.3 無(wú)線勵(lì)磁能量傳輸方式比較

電感耦合的優(yōu)勢(shì)在于：不存在裸露導(dǎo)體，可以保證系統(tǒng)各部分之間電氣絕緣；能量傳遞能力不受塵土、污物等環(huán)境因素的影響。與電感耦合相比，電容耦合方案具有以下優(yōu)勢(shì)：絕大多數(shù)的電場(chǎng)包含在電容板之間，無(wú)需介質(zhì)屏蔽；無(wú)需繞組和磁心，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；電場(chǎng)可以穿透金屬材料，且電磁干擾與損耗較少[57]。總體而言，容性耦合能量傳輸方式更適用于小氣隙工況，而感性耦合能量傳輸方式的效率普遍大于容性方式[58-59]。

此外，針對(duì)電勵(lì)磁電機(jī)應(yīng)用，美國(guó)的D.C.Ludois教授對(duì)比了電刷集電環(huán)、電感耦合和電容耦合等方案的優(yōu)缺點(diǎn)[52]，三種勵(lì)磁方式的比較結(jié)果見(jiàn)表6。可以看出，幾種方式各有優(yōu)勢(shì)，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用做出抉擇。就目前的報(bào)道而言，美國(guó)通用汽車(chē)公司的研究人員正嘗試將電感耦合勵(lì)磁系統(tǒng)用于乘用車(chē)[15]。上述事實(shí)證明電感耦合式勵(lì)磁能量傳輸技術(shù)已接近實(shí)用，具有較好的應(yīng)用前景。D.C.Ludois教授正在將電容耦合技術(shù)推向工程樣機(jī)驗(yàn)證，但是設(shè)計(jì)與控制相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題還有待完善，離實(shí)際應(yīng)用仍有一定距離。

表6 三種勵(lì)磁方式的比較分析[52]

Tab.6 Comparative analysis of three excitation modes[52]

注：√表示需要或肯定評(píng)價(jià)，′表示不需要或否定評(píng)價(jià)，?表示可能性評(píng)價(jià)。

3 電勵(lì)磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度提升技術(shù)

國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者同時(shí)還在致力于電勵(lì)磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度提升技術(shù)的研究，主要集中在兩個(gè)層面，即磁阻轉(zhuǎn)矩提升技術(shù)和合成轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)技術(shù)。

3.1 磁阻轉(zhuǎn)矩提升技術(shù)

電勵(lì)磁凸極電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩由勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩組成。輸出轉(zhuǎn)矩不變，增大磁阻轉(zhuǎn)矩占比，意味著勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩降低，對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流和勵(lì)磁損耗同時(shí)減小，有助于提升電機(jī)效率和轉(zhuǎn)矩密度。磁阻轉(zhuǎn)矩近似正比于電機(jī)交直軸電感之差，電機(jī)交直軸電感之差增大，意味著電機(jī)的凸極效應(yīng)更為明顯，凸極率變大，磁阻轉(zhuǎn)矩提升。

2005年，丹麥奧爾堡大學(xué)的Frede Blaabjerg教授于提出了“雙軸”電勵(lì)磁電機(jī)的概念，在轉(zhuǎn)子磁障中放置永磁體，電機(jī)的凸極率是4.75[60]。2013年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的學(xué)者提出電勵(lì)磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁障設(shè)置技術(shù)（見(jiàn)圖8a），在轉(zhuǎn)子極上沿著徑向開(kāi)槽以增加交軸磁阻，減小交軸電感[61]。2015年，法國(guó)巴黎中央理工-高等電力學(xué)院的研究人員提出在不增加額外勵(lì)磁源的情況下提升電勵(lì)磁凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度的新方法，給出了圖8b所示的電機(jī)轉(zhuǎn)子改進(jìn)結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁凸極電機(jī)相比，新結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)子側(cè)設(shè)置了雙條磁障，增加了交軸磁路的磁阻，而對(duì)直軸磁路影響不大，因此電機(jī)的凸極率提升了約30%[62]。

圖8 具有磁障的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

T. A. Lipo教授和韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)的B. Kwon教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組均對(duì)該問(wèn)題貢獻(xiàn)了創(chuàng)新性的解決方案，提出了多種磁障設(shè)置方法，并對(duì)磁障設(shè)置規(guī)則、設(shè)計(jì)方法和形狀參數(shù)等進(jìn)行了深入的研究[63-65]。結(jié)果表明，對(duì)于所研究的電機(jī)，當(dāng)單磁障寬度占轉(zhuǎn)子極寬約7%時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩增幅最大。文獻(xiàn)[65]則利用Kriging法對(duì)一臺(tái)4極6槽帶有磁障的電勵(lì)磁電機(jī)開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終的凸極率和磁阻轉(zhuǎn)矩分別提升了9.27%和20.45%。

轉(zhuǎn)子磁極開(kāi)設(shè)磁障，除了能夠增大凸極率之外，會(huì)降低原有直軸磁路的寬度，加劇直軸磁路飽和，引起勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩下降，應(yīng)該合理平衡磁阻轉(zhuǎn)矩增大和勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩減小的幅度，保證輸出總轉(zhuǎn)矩最大。因此，作者針對(duì)一臺(tái)4極36槽2kW電勵(lì)磁凸極電機(jī)，考慮直軸磁路寬度減小（開(kāi)設(shè)磁障帶來(lái)的影響）和直軸磁路有效寬度不變（開(kāi)設(shè)磁障的同時(shí)增加磁極寬度，保持直軸磁路有效寬度不變，又分為單側(cè)設(shè)置增量不對(duì)稱(chēng)方案和雙側(cè)設(shè)置增量對(duì)稱(chēng)方案）的情況，結(jié)合單磁障和雙磁障的設(shè)置，開(kāi)展了電磁場(chǎng)有限元計(jì)算和分析工作，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。圖9表明，在直軸磁路有效寬度不變的前提下，雙磁障設(shè)置帶來(lái)的總轉(zhuǎn)矩提升效果更佳。與無(wú)磁障情況相比，總轉(zhuǎn)矩的最大值增長(zhǎng)幅度約13.9%。對(duì)應(yīng)的雙磁障寬度占轉(zhuǎn)子極寬的8.5%。

圖9 不同方案的總轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩

3.2 合成轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)技術(shù)

電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩并不等于勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩最大值的疊加，而是等于兩者瞬時(shí)值之和。因此，僅追求提升磁阻轉(zhuǎn)矩的最大值并不能很好地滿足要求，還應(yīng)探索勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩最大值出現(xiàn)的時(shí)刻，即兩種轉(zhuǎn)矩曲線軸線之間的位置關(guān)系。將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩最大時(shí)對(duì)應(yīng)的磁阻轉(zhuǎn)矩分量與磁阻轉(zhuǎn)矩最大值的比值定義為磁阻轉(zhuǎn)矩利用率，磁偏置技術(shù)是一種可以提升磁阻轉(zhuǎn)矩利用率的技術(shù)，其在永磁電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中已有所應(yīng)用。圖10定性地描述了轉(zhuǎn)矩軸線偏移帶來(lái)的總轉(zhuǎn)矩提升機(jī)理，其中，角度即為轉(zhuǎn)矩軸線偏移量。

圖10 磁偏置前后轉(zhuǎn)矩對(duì)比

借鑒上述磁偏置技術(shù)，開(kāi)展電勵(lì)磁電機(jī)的電磁和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以提升電勵(lì)磁電機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩。韓國(guó)學(xué)者針對(duì)一臺(tái)4極6槽電勵(lì)磁電機(jī)設(shè)計(jì)了兩類(lèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖11所示。一類(lèi)是在轉(zhuǎn)子極身設(shè)置磁障，并在磁障內(nèi)設(shè)置永磁體[66]；另一類(lèi)是在轉(zhuǎn)子極靴間設(shè)置永磁體[67]。通過(guò)合理地選擇永磁體的充磁方向，兩類(lèi)結(jié)構(gòu)都能實(shí)現(xiàn)磁偏置，使得勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩軸線與磁阻轉(zhuǎn)矩軸線靠近，提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。另外，還可以借鑒文獻(xiàn)[68]提出的勵(lì)磁繞組配置方案，用電勵(lì)磁取代永磁形成“雙軸”勵(lì)磁的效果，提升電機(jī)運(yùn)行特性。

圖11 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩軸線偏移效應(yīng)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

針對(duì)前述4極36槽2kW電勵(lì)磁凸極電機(jī)，作者對(duì)直軸磁路有效寬度不變（對(duì)稱(chēng)增量）雙磁障模型進(jìn)行了磁偏置設(shè)置，在磁障中添加鐵氧體永磁體，計(jì)算得到磁阻轉(zhuǎn)矩、勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩和總轉(zhuǎn)矩如圖12所示。在磁障內(nèi)安放永磁體后，永磁體作為勵(lì)磁源的同時(shí)帶來(lái)磁偏置效應(yīng)，在設(shè)置磁障的基礎(chǔ)上，總轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步提高了約14.5%。

圖12 軸線偏移后三種轉(zhuǎn)矩曲線

此外，德國(guó)、法國(guó)、芬蘭學(xué)者也在積極探索電勵(lì)磁電機(jī)的性能提升技術(shù)，提出了在轉(zhuǎn)子側(cè)不同位置處安放永磁體構(gòu)成以電勵(lì)磁為主的混合勵(lì)磁電機(jī)，進(jìn)一步增強(qiáng)電機(jī)的主磁場(chǎng)。德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院的研究人員將少量永磁體放置在轉(zhuǎn)子極靴端部，電機(jī)轉(zhuǎn)矩提升了3%、效率提高了0.5%[69]。法國(guó)里爾中央理工學(xué)院的學(xué)者提出在轉(zhuǎn)子極靴上放置永磁體，永磁磁通與電勵(lì)磁磁通構(gòu)成串聯(lián)回路，或者在轉(zhuǎn)子極靴之間放置永磁體，構(gòu)成并聯(lián)磁路[70]。

目前，以功率/轉(zhuǎn)矩密度提升和合成轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)技術(shù)為代表的電勵(lì)磁電機(jī)性能提升方法受到高度關(guān)注。此外，考慮勵(lì)磁部分設(shè)計(jì)的靈活性，并結(jié)合增去磁時(shí)間要求，開(kāi)展電樞側(cè)與勵(lì)磁側(cè)的聯(lián)合設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作同樣具有重要意義，勢(shì)必會(huì)促進(jìn)電勵(lì)磁電機(jī)向緊湊化、輕量化方向發(fā)展。同時(shí)，將新材料（高性能硅鋼）、新拓?fù)洌姍C(jī)與電路拓?fù)洌⑿鹿に嚕ū饩€繞組、拼裝結(jié)構(gòu)等）等方法和技術(shù)應(yīng)用到電勵(lì)磁電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造中，將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)提升電機(jī)系統(tǒng)的兼容性和可靠性。

4 結(jié)論

本文分析了電勵(lì)磁電機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)與瓶頸問(wèn)題，歸納了無(wú)刷勵(lì)磁技術(shù)和轉(zhuǎn)矩密度提升技術(shù)的發(fā)展歷程和關(guān)鍵問(wèn)題。勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁發(fā)展較早、技術(shù)成熟，但軸向長(zhǎng)度長(zhǎng)，占用空間大，而且旋轉(zhuǎn)部分的慣量較大，電動(dòng)運(yùn)行時(shí)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能不佳。“集成”勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁需要改動(dòng)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)或驅(qū)動(dòng)器電路拓?fù)洌瑢?duì)電機(jī)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)算法提出新的要求，同時(shí)低速工況勵(lì)磁電壓建立困難。電感耦合或電容耦合勵(lì)磁方式對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)改動(dòng)較少，電機(jī)和勵(lì)磁裝置可以分開(kāi)設(shè)計(jì)，較容易實(shí)現(xiàn)緊湊化、輕量化目標(biāo)，尤其是電感耦合方式更具發(fā)展?jié)摿ΑＲ劳写耪辖Y(jié)構(gòu)提升凸極比、增大磁阻轉(zhuǎn)矩是一種有效方法。引入永磁體勵(lì)磁，增加磁勢(shì)源的同時(shí)產(chǎn)生磁偏置效果，可以增強(qiáng)磁阻轉(zhuǎn)矩利用率，進(jìn)一步提高輸出轉(zhuǎn)矩。

無(wú)刷勵(lì)磁技術(shù)、轉(zhuǎn)矩密度提升技術(shù)對(duì)提高電勵(lì)磁電機(jī)可靠性和高單位電流出力能力，拓展電機(jī)的適用性和應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮了作用，后續(xù)可以在以下方面繼續(xù)研究，完善技術(shù)細(xì)節(jié)，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步：

1）以緊湊化和小體積為目標(biāo)開(kāi)展勵(lì)磁裝置設(shè)計(jì)，探索電機(jī)端部空間利用、無(wú)鐵心磁路結(jié)構(gòu)以及高頻諧振技術(shù)，同時(shí)應(yīng)關(guān)注漏感、寄生參數(shù)、銅耗、和效率等指標(biāo)以及高頻、低頻電磁場(chǎng)的耦合問(wèn)題。

2）為構(gòu)建勵(lì)磁電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)，在保證檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔性和低成本的前提下，開(kāi)展勵(lì)磁電流的非接觸、高精度檢測(cè)或估算工作，并探索勵(lì)磁電流和電樞電流的協(xié)調(diào)控制策略。

3）除了磁場(chǎng)、電場(chǎng)分布特性、電磁參數(shù)特性研究以外，還應(yīng)關(guān)注勵(lì)磁能量供給電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、調(diào)制和控制算法，以提高電感或電容耦合無(wú)線勵(lì)磁能量傳輸?shù)男省?/p>

4）綜合考慮轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、THD指標(biāo)、銅耗、鐵耗（尤其是高速區(qū)的鐵耗）、材料消耗等方面，依托磁障設(shè)置和磁偏置技術(shù)，結(jié)合約束條件開(kāi)展多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，提升電機(jī)的綜合性能。

5）開(kāi)展軸向疊片、多層磁障、組合磁障等拓?fù)浞桨傅难芯浚瑢?shí)現(xiàn)從集中式磁障向分散式磁障的過(guò)渡，并嘗試合理化電磁設(shè)計(jì)、安全性應(yīng)力校核以及加工制造流程分析等工作。

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Review of the Blushless Excitation and Torque Density Improvement in Wound Field Synchronous Motors

Fu Xinghe1Jiang Zhenglong1Lü Hongfei2Gu Shengdong1Cui Weilong1

（1. School of Electrical Engineering Southeast University Nanjing 210096 China 2. Institute of Electrical Engineering Karlsruhe Institute of Technology Karlsruhe 76131 Germany）

Firstly, the performance differences between permanent magnet synchronous motors and wound field synchronous motors (WFSMs) are analyzed. Meanwhile, the characteristic advantages and existing technical problems of WFSMs are pointed out. Secondly, the evolution process and technical route of brushless excitation of WFSMs is summarized. The research progress and application level of exciter excitation, harmonic excitation, and inductive as well as capacitive wireless power transmission technology in field winding non-contact power supply is clarified. Then, the existing reluctance torque utilization technology, rotor structure improvement technology and torque axis shift technology are summarized. The beneficial effects of the above technologies on the torque improvement of WFSMs are pointed out. Finally, the issues in this field are stated, and the future research focus and technological development direction are predicted.

Wound field synchronous motor, brushless excitation, harmonic excitation, wireless power transmission, torque density

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211599

TM341

付興賀 男，1978年生，博士，副教授，研究方向?yàn)楦邷靥胤N電機(jī)及其控制、伺服系統(tǒng)多源異構(gòu)擾動(dòng)抑制。Email：fuxinghe@seu.edu.cn （通信作者）

江政龍 男，1996年生，碩士，研究方向?yàn)殡姍C(jī)設(shè)計(jì)。Email：1197027839@qq.com

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51977035）。

2021-10-09

2021-11-05

（編輯 郭麗軍）