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脙?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用范圍。

1950年，國外學者克萊倫斯提出了無刷勵磁方法，后來世界各個國家陸續(xù)從電機本體結(jié)構(gòu)和勵磁電源供給方式兩方面給出了新措施和新方案。目前，主流的無刷勵磁方法包括勵磁機方案、“集成”勵磁機方案和無線能量傳輸方案。針對每種方案，考慮輔助電源的能量產(chǎn)生原理、來源的不同，整流電路拓撲結(jié)構(gòu)的差異及電源與電路的組合變化，可衍生出更為詳細的配置，具體如圖1所示。

圖1 電勵磁電機勵磁繞組供電方式

1 勵磁機式勵磁系統(tǒng)

勵磁機式無刷勵磁技術(shù)實際上是將一臺旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機作為主電機的勵磁機，此時主電機的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)保持不變，勵磁機的轉(zhuǎn)子三相繞組輸出的交流電經(jīng)整流后直接接入主機轉(zhuǎn)子的勵磁繞組，勵磁機的勵磁磁場建立方法有多種，如圖2所示。

依托直流勵磁繞組，直流電源可來自于主電機輸出端旁路后經(jīng)整流變換的輸出、獨立的直流電源、獨立交流電源整流變換的輸出、副勵磁機電樞繞組變換輸出；也可用永磁體代替勵磁機定子側(cè)的勵磁繞組；或者基于感應電機原理，利用兩相或三相繞組建立勵磁磁場；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磁機共用等勵磁方案。勵磁機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2 勵磁機式勵磁磁場建立方法

2 “集成”勵磁機式勵磁系統(tǒng)

將勵磁機與主機合并，共用一套定轉(zhuǎn)子鐵心，從而衍生出“集成”勵磁機的勵磁方案。當勵磁電源的工作頻率非系統(tǒng)的基波頻率時，又稱為諧波勵磁方案，而且以該方案居多。對于諧波勵磁而言，電機結(jié)構(gòu)已與傳統(tǒng)的電勵磁電機有所區(qū)別。諧波勵磁方式要求電機中存在一套額外的諧波繞組，用以捕獲氣隙磁場中的諧波磁場能量，從而構(gòu)建出勵磁電源。根據(jù)諧波繞組配置及諧波磁場來源的不同，目前文獻報道的諧波勵磁方式如圖3所示。

圖3 “集成”勵磁機式勵磁方法分類

諧波勵磁的研究重點在于諧波磁場的生成方式。在定子側(cè)設(shè)置諧波繞組，利用主機固有的諧波磁場，諧波繞組中被動地感應出交流電動勢。這種方式年代久遠，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，實現(xiàn)無刷勵磁，是“集成”勵磁式勵磁系統(tǒng)的發(fā)展方向，“集成”勵磁機式無刷勵磁方案可能的系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

圖4 “集成”勵磁機式無刷勵磁方案

2.1 轉(zhuǎn)子單相諧波繞組

早期，諧波勵磁技術(shù)主要利用3次諧波，后來通過與電機本體結(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T. A. Lipo教授與韓國漢陽大學的研究人員合作，所提出的勵磁方案采用4極三相電樞繞組和12極諧波繞組，利用單臺逆變器為電樞繞組供電，定子三相繞組每一相并聯(lián)一組開關(guān)管。在電樞電流正負半周接近過零點處開關(guān)管短時接通，在電樞繞組中產(chǎn)生零序電流。隨著開關(guān)的連續(xù)開斷運行，在電樞繞組中產(chǎn)生3次諧波電流，再由3次諧波磁場在轉(zhuǎn)子側(cè)諧波繞組中產(chǎn)生感應電壓。該方案無需利用額外繞組和逆變器向電樞繞組中注入諧波，只利用了電樞磁動勢的3次諧波。

哈爾濱工業(yè)大學的學者給出了定子側(cè)同時放置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極諧波感應繞組和4極勵磁繞組的設(shè)計方案，該方案可以充分利用3次諧波，且具有諧波磁場獨立控制、磁場建立容易的特點。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，增加了電機定子和逆變器的復雜性。

因此，針對開繞組和半開繞組電機，中韓學者又提出了同時利用定轉(zhuǎn)子3次諧波合成磁場的新方法。該方法的優(yōu)點在于3次諧波與基波解耦，因此電機勵磁磁場可以不依賴負載電流而獨立控制。但這種方法要求兩套逆變器同時運行、協(xié)調(diào)控制，且逆變器容量要求高，系統(tǒng)造價昂貴，而且初始磁場建立困難。

2.2 轉(zhuǎn)子三相或多相諧波繞組

2018年，印度理工學院學者研究了基于感應電機原理的無刷勵磁系統(tǒng)。與前述諧波勵磁方法相比，該方案的特征在于轉(zhuǎn)子側(cè)采用了三相諧波感應繞組。因此，該方案與傳統(tǒng)勵磁機勵磁方案更為接近，相當于同步電機和感應電機同軸連接。為了避免磁場耦合，兩部分的極對數(shù)不同。有學者分別給出了同步電機和異步電機2/6極組合和4/6極組合的設(shè)計方案。感應電機工作在自勵模式或零功率模式，即不需要外部電源提供有功功率。通過控制感應電機定子側(cè)的電流，實現(xiàn)同步電機的勵磁調(diào)節(jié)。

前述部分方法存在基波磁動勢和諧波磁動勢的耦合，在低速階段很難實現(xiàn)電樞主磁場和諧波磁場的獨立控制，因為低速時諧波繞組中感應出的電壓較低，轉(zhuǎn)子勵磁磁場建立較難。

為了在零速或低速獲得較大轉(zhuǎn)矩，慕尼黑聯(lián)邦國防大學提出在電機定子側(cè)采用新型多相分數(shù)槽非對稱集中繞組，每槽線圈單獨與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勢。轉(zhuǎn)子側(cè)放置兩套繞組（諧波繞組-感生電動勢，勵磁繞組-建立勵磁磁場）和多相整流裝置。

上述配置具有較大的靈活性，通過控制方式的組合實現(xiàn)極對數(shù)可控、諧波磁場頻譜可調(diào)。最終，形成了零速、低速和高速下分別利用諧波電流（主動構(gòu)建）、諧波電流和電樞繞組磁動勢諧波、磁動勢諧波建立勵磁磁場的三種模式，實現(xiàn)了零速和低速下電機輸出轉(zhuǎn)矩的提升。

2.3 電機空間諧波利用技術(shù)

上述方法可以視為通過控制注入電機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，還有學者提出從電機本體結(jié)構(gòu)入手，構(gòu)建諧波磁場，從而避免電路拓撲改造和成本增加。

典型的方法包括日本學者提出的轉(zhuǎn)子雙極式結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)子包括I極（放置諧波繞組，收集諧波能量）和E極（放置勵磁繞組，建立勵磁磁場）。而且，通過調(diào)整I極的參數(shù)，可以改變收集諧波的頻次。但是這種依靠特殊結(jié)構(gòu)建立的諧波磁場能量較低，尤其是在低速情況下，電機的轉(zhuǎn)矩密度低于內(nèi)置式永磁同步電機（Inner-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM）。此時，還需通過控制器注入時間諧波，以增強諧波磁場的能量。

針對5.4MV◆A的大功率電勵磁電機，美國ABB公司的研究人員提出利用氣隙磁場的19次齒槽諧波感應出勵磁電勢，走出了一條與眾不同的技術(shù)路線。有學者給出了齒槽諧波利用的基本原理、電機設(shè)計方法以及仿真和實驗結(jié)果，證明該方法具有潛在應用優(yōu)勢和市場前景。

為去除產(chǎn)生的諧波繞組，德國慕尼黑聯(lián)邦國防大學的學者充分利用電機的極槽配合，構(gòu)建了10極18槽的新概念電勵磁電機，該電機以5次諧波磁場為工作磁場，利用13次諧波建立諧波磁場，為轉(zhuǎn)子諧波感應繞組提供勵磁磁場。

綜上所述，目前主要的諧波利用方法及其區(qū)別見表1。

表1 典型諧波勵磁方案比較

3 無線能量傳輸式勵磁系統(tǒng)

無線能量傳輸式勵磁系統(tǒng)分別在電機定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)安裝能量發(fā)送和接收裝置，以電場或磁場為媒介將能量從定子側(cè)傳送到轉(zhuǎn)子側(cè)。圖1c展示了在電機轉(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)。

3.1 電感耦合式能量傳輸技術(shù)

2018年，美國橡樹嶺國家實驗室和通用汽車公司將該技術(shù)應用于牽引電機，成功突破了電刷集電環(huán)的束縛。圖5給出了電感耦合式無刷勵磁系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

目前，世界主要發(fā)達國家、甚至發(fā)展中國家都在積極開展電感耦合式電勵磁電機轉(zhuǎn)子無線電能傳輸技術(shù)的研究，包括美國、德國、日本、瑞典，法國、羅馬尼亞、斯洛文尼亞等，其中德國的研究投入最大，漢諾威大學、斯圖加特大學、宇航中心、紐倫堡應用技術(shù)大學、漢諾威電驅(qū)系統(tǒng)研發(fā)中心、BMW公司、Continental集團、Mahle集團都陸續(xù)報道了最新的研究成果。

國內(nèi)的哈爾濱理工大學、東南大學也開展了相關(guān)研究，尤其東南大學探索了無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)在高速電勵磁電機中的應用奠定了基礎(chǔ)。表2對部分文獻提及的研究成果進行了總結(jié)，并概括出它們的關(guān)鍵特征和技術(shù)差異，有學者還給出了其他的技術(shù)方案。

圖5 電感耦合式無刷勵磁系統(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，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。

表2電感耦合式無刷勵磁系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

由于鐵氧體材料具有易碎性，德國萊布尼茲-漢諾威大學的學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)改進方法和性能提升效果，并在相關(guān)文獻中對比了鐵氧體、電工鋼以及軟磁復合（Soft Magnetic Composite, SMC）材料的優(yōu)缺點。

除了結(jié)構(gòu)以外，旋轉(zhuǎn)變壓器的電磁設(shè)計、特性分析和數(shù)學建模等內(nèi)容對能量傳輸特性有重要影響。德國學者建立了變壓器的等效電路模型和損耗計算模型，探討了不同頻率下的損耗特性，有助于全面理解和認識電感耦合式能量傳輸系統(tǒng)的機理和特性，為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

電感耦合式無線電能傳輸技術(shù)需要利用逆變器和整流器對電能進行交直流轉(zhuǎn)換，變換器的拓撲結(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，美國學者Gary William申請了專利，提出利用電容與電感諧振的電能變換拓撲，并指出在同容量的電機中，該方案的總體尺寸與質(zhì)量明顯減小。東南大學譚林林教授在有關(guān)文獻中介紹了磁耦合諧振式無刷勵磁機構(gòu)的工作原理，并設(shè)計了幾種不同的諧振器，開展了實驗研究，驗證了相關(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, 導致變換器體積增大。T. A. Lipo教授設(shè)計了一種基于單相矩陣變換器的電感耦合式無刷勵磁系統(tǒng)，AC-AC拓撲結(jié)構(gòu)無需大容量濾波電容，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，尤其在中頻運行時效率較高。逆變電路的工作頻率決定了變壓器的體積，影響著系統(tǒng)的效率。

電感耦合式無刷勵磁系統(tǒng)的工作頻率多集中在幾十~幾百kHz頻段（見表3），德國的幾所研究單位在追求著更高的工作頻率，分別為160kHz、200kHz和400kHz，相關(guān)研究也證明了方案的可行性，為后續(xù)該技術(shù)的實用化提供了有益參考。

表3電容耦合式無刷勵磁系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

3.2 電容耦合式能量傳輸技術(shù)

美國威斯康星大學的D.C.Ludois教授則一直致力于推動電容耦合技術(shù)在電機領(lǐng)域的應用，所提出的電容耦合式無刷勵磁系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 耦合電容式無刷勵磁系統(tǒng)

從2011年開始，近10年的持續(xù)研究使得D.C.Ludois教授在電容耦合無刷勵磁系統(tǒng)的基本概念、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功率密度、電磁設(shè)計、寄生參數(shù)和應用技術(shù)等方面取得了突出的研究成果。他所領(lǐng)導的課題組系統(tǒng)地研究了圓筒式和平行盤式結(jié)構(gòu)，指出單位體積的平行盤式結(jié)構(gòu)具有較大電容量，是電容耦合式無刷勵磁的首選方案。

該小組所報道的三種設(shè)計方案見表4，通過結(jié)構(gòu)改進和合理化設(shè)計，后期系統(tǒng)的傳輸功率和效率大幅提高。將研究成果應用于一臺峰值功率55kW，額定功率30kW的電勵磁工程樣機，成功地驗證了相關(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，增大電容密度和運行可靠性。

表4 三種勵磁方式的比較分析

3.3 無線勵磁能量傳輸方式比較

電感耦合的優(yōu)勢在于：不存在裸露導體，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：絕大多數(shù)的電場包含在電容板之間，無需介質(zhì)屏蔽；無需繞組和磁心，機械結(jié)構(gòu)簡單；電場可以穿透金屬材料，且電磁干擾與損耗較少?？傮w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。

此外，針對電勵磁電機應用，美國的D.C.Ludois教授對比了電刷集電環(huán)、電感耦合和電容耦合等方案的優(yōu)缺點，三種勵磁方式的比較結(jié)果見表4?？梢钥闯?，幾種方式各有優(yōu)勢，應根據(jù)具體應用做出抉擇。

就目前的報道而言，美國通用汽車公司的研究人員正嘗試將電感耦合勵磁系統(tǒng)用于乘用車。上述事實證明電感耦合式勵磁能量傳輸技術(shù)已接近實用，具有較好的應用前景。D.C.Ludois教授正在將電容耦合技術(shù)推向工程樣機驗證，但是設(shè)計與控制相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問題還有待完善，離實際應用仍有一定距離。

本文編自2022年第7期《電工技術(shù)學報》，第一作者和通訊作者為付興賀，1978年生，博士，東南大學電氣工程學院副教授，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基金的資助。