永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、效率高等優(yōu)點，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，稀土材料價格受供求關(guān)系及國際市場管控影響具有波動性，稀土材料生產(chǎn)過程具有高污染性。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)致永磁電機的繞組銅耗增加，高速區(qū)的運行效率降低。鑒于國家的長遠戰(zhàn)略思維和永磁電機固有的技術(shù)問題，成本低、勵磁可控以及設(shè)計方法成熟的電勵磁同步電機（以下簡稱電勵磁電機）具備一定的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用優(yōu)勢。

由于勵磁磁場可調(diào)、無功功率雙向可控，以及較好的短路故障承受能力、較快的機電暫態(tài)特性，電勵磁電機常用于電力系統(tǒng)的發(fā)電領(lǐng)域。但是，隨著電動汽車、全電飛機、電氣化軌道交通的提出和發(fā)展，電勵磁電機的應(yīng)用領(lǐng)域有望進一步拓展。

在全球輕型車測試規(guī)程中，電勵磁電機的效率接近永磁電機、高于異步電機。因此，寶馬公司獨樹一幟地選擇了電勵磁電機作為第五代電驅(qū)技術(shù)，走出了有別于其他競爭廠商的技術(shù)路線。但是，電勵磁電機也存在一些無法回避的技術(shù)問題。因此，國內(nèi)外專家、學(xué)者都在積極推進電勵磁電機無刷化進程，積極探索勵磁繞組非接觸能量傳輸新方法，同時通過改進電機拓撲結(jié)構(gòu)、優(yōu)化電磁設(shè)計等手段提升電勵磁電機性能，擴大電勵磁電機的應(yīng)用范圍。

1 電勵磁電機的優(yōu)勢

1.1 成本優(yōu)勢

就材料消耗而言，電勵磁電機無永磁體，雖然繞組用銅多，但鐵心疊片可以更少。盡管銅價高于疊片價格，但稀土永磁材料的價格遠高于銅價。所以，電勵磁電機的材料成本可以低于永磁電機。針對電動汽車應(yīng)用，作者團隊開展了永磁電機和電勵磁電機的設(shè)計、計算和性能、成本的對比分析工作。

對于具有相同性能指標和尺寸要求的永磁電機和電勵磁電機，表1給出了兩種電機主要部件的材料用量，并按照材料的市場價格計算了電機成本，由于加工、制造等工藝成本的變數(shù)較大，暫作忽略處理?？梢?，在保持電機尺寸和功率指標相同的前提下，電勵磁電機具有一定的成本優(yōu)勢。

表1

英國謝菲爾德大學(xué)的諸自強教授對2010款豐田普銳斯混合動力汽車用永磁電機和其自行設(shè)計的電勵磁電機進行了對比分析。在保持相同的定子外徑、有效軸向長度、有效氣隙、極槽配合、每相串聯(lián)匝數(shù)的前提下，兩種電機的有效材料用量見表2。

表2

按照主要材料的國內(nèi)價格，作者計算出了兩種電機的材料成本，同樣驗證了電勵磁電機具有一定的價格優(yōu)勢。

1.2 性能優(yōu)勢

由于勵磁電流可控，在全速域范圍內(nèi)電勵磁電機均能產(chǎn)生較大的輸出轉(zhuǎn)矩，獲得飽滿的動態(tài)加減速特性，尤其是對于中高速運行區(qū)間更為明顯。對于永磁電機，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，且存在一個電磁方案限定的轉(zhuǎn)速上限。

對于電勵磁電機，通過調(diào)節(jié)勵磁電流，可以始終保持恒定的機械功率輸出，不存在電磁方案決定的轉(zhuǎn)速上限，擴速能力較強。電勵磁電機具有極佳的負載兼容能力：對于滿載運行，通過增強磁場，可以產(chǎn)生更大的動力轉(zhuǎn)矩；對于輕載運行，可以減小勵磁電流，降低勵磁損耗。勵磁電流的靈活可控意味著無需調(diào)節(jié)電樞繞組中的無功電流，即可降低供電電源的容量要求。此外，當供電電源達到輸出極限時，電勵磁電機的功率因數(shù)和輸出轉(zhuǎn)矩仍處于可控狀態(tài)。

上述優(yōu)勢是永磁電機難以企及的。另外，電勵磁電機的反電動勢與勵磁電流相關(guān)，直軸電感大于交軸電感，短路時對應(yīng)的直軸電流小于交軸電流，上述特點說明電勵磁電機具有較強的容錯能力?？紤]故障情況（永久短路、緊急停機等），可以切斷勵磁電流以保障系統(tǒng)安全，從而降低了對電力電子方面所采取的安全措施的要求。

1.3 效率優(yōu)勢

勵磁電流具有調(diào)配電機性能和效率的作用，勵磁可調(diào)意味著性能和效率的平衡可控。電勵磁電機的單點效率高于異步電機，綜合效率接近甚至可能超過永磁電機。

諸自強教授以2010款普銳斯電動汽車用永磁電機為參考，在保證相同尺寸的前提下，優(yōu)化設(shè)計了一款電勵磁電機，并計算了二者在0~14 000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的系統(tǒng)效率。分析計算結(jié)果表明，電勵磁電機和永磁電機的最高效率分別達到了94%和96%，在全速度范圍內(nèi)兩種電機的單點效率差也一直維持在2%左右。但是，電勵磁電機的恒功率范圍更寬，而永磁電機的高效區(qū)面積更大。

T. A. Lipo教授將2007款凱美瑞電動汽車用永磁電機和一臺14.5kW商業(yè)電勵磁電機進行比較并指出：在額定轉(zhuǎn)速以下，電勵磁電機的效率接近93%，低于永磁電機；但在額定轉(zhuǎn)速以上，通過減小勵磁電流實現(xiàn)弱磁升速，電勵磁電機的效率甚至比永磁電機弱磁控制時的效率高，且效率93%以上的區(qū)域面積更大。也有學(xué)者針對基于耦合變壓器的電勵磁電機進行研究，并與內(nèi)嵌式永磁電機進行比較，同樣得到了電勵磁電機高速區(qū)運行效率更高的結(jié)論。

針對表1提及的永磁電機和電勵磁電機，作者計算了0~16 000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)電勵磁電機和永磁電機電動運行和發(fā)電運行時的效率，結(jié)果如圖1所示，圖中轉(zhuǎn)矩基值為永磁電機的最大轉(zhuǎn)矩。

圖1表明，電勵磁電機和永磁電機的單點最高效率均能夠達到97%；在全速度范圍內(nèi)，電勵磁電機的效率與永磁電機的效率相當，尤其是高速區(qū)效率甚至高于永磁電機。但是，在額定轉(zhuǎn)速附近，永磁電機的高效區(qū)面積略大于電勵磁電機。

為了考慮不同時速運行時間長短的綜合效率，以典型的全球輕型車輛統(tǒng)一試驗程序（Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure，WLTP）規(guī)定的工況為例，作者計算了兩種電機的綜合效率指標，圖1中的“白色圓圈”表示考慮WLTP工況時電勵磁電機和永磁電機的實際工作點。在WLTP工況約束下，計算電勵磁電機和永磁電機的平均綜合效率分別為95.1%和95.3%，永磁電機略占優(yōu)勢。

圖1電勵磁電機和永磁電機的效率分布

綜上所述，永磁電機和電勵磁電機具有不同的性能優(yōu)勢，應(yīng)該結(jié)合具體運行工況、控制策略等合理評價。

作者認為，就綜合性能而言，永磁電機的優(yōu)勢更為突出。但是，當出現(xiàn)永磁體價格上漲導(dǎo)致永磁電機的成本大幅增加，以及考慮政治因素影響導(dǎo)致永磁體無法正常供應(yīng)時，電勵磁電機是一種具有較強競爭力的替代方案。

2 制約電勵磁電機應(yīng)用與發(fā)展的關(guān)鍵問題

除了具有上述優(yōu)勢，電勵磁電機也面臨著一些問題：需要電刷、集電環(huán)為勵磁繞組供電，轉(zhuǎn)矩密度和功率密度有待提高等。電刷集電環(huán)式勵磁系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、響應(yīng)快等特點，但需要定期維護，易產(chǎn)生粉塵污染，不能用于爆炸環(huán)境，且勵磁功率受限。對于工業(yè)或電氣化交通領(lǐng)域應(yīng)用，電刷集電環(huán)勵磁會引起結(jié)構(gòu)、可靠性、應(yīng)力、發(fā)熱等問題。

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)置于機殼和軸承之外，導(dǎo)致電機軸向長度增加。對于電動汽車應(yīng)用，軸向長度的增加與電動汽車結(jié)構(gòu)緊湊化趨勢不符。

其次，為增加電刷的導(dǎo)電性能、降低電阻率，會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，電機運行時電刷甚至出現(xiàn)不規(guī)則跳動。

再次，高轉(zhuǎn)速對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，電動汽車用的驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速近萬轉(zhuǎn)，幾乎達到甚至超過電刷的速度極限，此時穩(wěn)定的電流傳輸難以保障。

最后，電刷與集電環(huán)接觸以及電流流過繞組會產(chǎn)生熱效應(yīng)，澆注集電環(huán)基質(zhì)的環(huán)氧樹脂難以同時承受較高的機械負荷和熱負荷，易產(chǎn)生開裂，甚至損壞。

另外，電勵磁電機的勵磁磁場來源于勵磁電流，在氣隙磁通密度基波幅值相同的前提下，電勵磁電機的轉(zhuǎn)子側(cè)質(zhì)量和體積會超過永磁電機，導(dǎo)致電勵磁電機的轉(zhuǎn)矩和功率密度不高。

寶馬公司2018年推出的電驅(qū)動用永磁電機的峰值功率密度突破了15kW/kg，對于無稀土永磁電機的峰值功率密度有可能超過7kW/kg。歐洲Brusa公司2014年推出的一款電勵磁電機的峰值功率密度達到3.3kW/kg，最大轉(zhuǎn)矩密度為5.9N?m/kg?？梢?，與永磁電機相比，電勵磁電機的功率和轉(zhuǎn)矩密度指標還處于劣勢，可以通過拓撲結(jié)構(gòu)改進、優(yōu)化設(shè)計等手段加以提高。

本文編自2022年第7期《電工技術(shù)學(xué)報》，第一作者和通訊作者為付興賀，1978年生，博士，東南大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授，研究方向為高溫特種電機及其控制、伺服系統(tǒng)多源異構(gòu)擾動抑制。本課題得到了國家自然科學(xué)基金的資助。