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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。

2012年，悉尼科技大學(xué)的學(xué)者David G. Dorrell在第38屆工業(yè)電子年會上提出疑問：繞線轉(zhuǎn)子電勵磁同步電機是否適合高效高轉(zhuǎn)矩密度汽車驅(qū)動領(lǐng)域？2015年，國際權(quán)威電機專家美國威斯康星大學(xué)的T. A. Lipo教授發(fā)表了題為“被人們忘卻的電勵磁同步電機”的文章。2016年，T. A. Lipo教授又在ECCE國際會議上作了題為“電機學(xué)科發(fā)展評論”的特約報告。

上述文章和報告指出“傳統(tǒng)的電勵磁電機正邁進文藝復(fù)興時期”，這一觀點引起了學(xué)術(shù)界和企業(yè)界對電勵磁電機的關(guān)注。從David G. Dorrell教授提出問題到現(xiàn)在過去了近十年時間，電勵磁電機相關(guān)的研究成果不斷涌現(xiàn)，電機各方面的性能在持續(xù)提升。

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。

由于勵磁磁場可調(diào)，電勵磁電機多一個控制自由度，可以進一步提升功率因數(shù)，增大峰值功率，提高運行效率，非滿載運行的效果更為明顯。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：需要電刷和集電環(huán)為勵磁繞組供電，緊湊式結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大；存在勵磁損耗，單點運行效率低于永磁電機；輸出轉(zhuǎn)矩/功率密度低等。若能解決勵磁繞組供電問題，并提高功率和轉(zhuǎn)矩密度，電勵磁電機具有特殊的優(yōu)勢和應(yīng)用價值。

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。

東南大學(xué)電氣工程學(xué)院、卡爾斯魯厄理工學(xué)院電氣工程研究所的研究人員分析了電勵磁電機的性能優(yōu)勢與瓶頸問題，歸納了無刷勵磁技術(shù)和轉(zhuǎn)矩密度提升技術(shù)的發(fā)展歷程和關(guān)鍵問題，指出未來研究重點和技術(shù)發(fā)展方向。

他們認為勵磁機勵磁發(fā)展較早、技術(shù)成熟，但軸向長度長，占用空間大，而且旋轉(zhuǎn)部分的慣量較大，電動運行時電機的動態(tài)性能不佳。“集成”勵磁機勵磁需要改動電機本體結(jié)構(gòu)或驅(qū)動器電路拓撲，對電機設(shè)計和驅(qū)動算法提出新的要求，同時低速工況勵磁電壓建立困難。電感耦合或電容耦合勵磁方式對電機結(jié)構(gòu)改動較少，電機和勵磁裝置可以分開設(shè)計，較容易實現(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Α?/p>

研究人員表示，依托磁障結(jié)構(gòu)提升凸極比、增大磁阻轉(zhuǎn)矩是一種有效方法。引入永磁體勵磁，增加磁勢源的同時產(chǎn)生磁偏置效果，可以增強磁阻轉(zhuǎn)矩利用率，進一步提高輸出轉(zhuǎn)矩。

無刷勵磁技術(shù)、轉(zhuǎn)矩密度提升技術(shù)對提高電勵磁電機可靠性和高單位電流出力能力，拓展電機的適用性和應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮了作用，他們認為后續(xù)可以在以下方面進行重點研究，完善技術(shù)細節(jié)，促進技術(shù)進步。

1）以緊湊化和小體積為目標(biāo)開展勵磁裝置設(shè)計，探索電機端部空間利用、無鐵心磁路結(jié)構(gòu)以及高頻諧振技術(shù)，同時應(yīng)關(guān)注漏感、寄生參數(shù)、銅耗、和效率等指標(biāo)以及高頻、低頻電磁場的耦合問題。

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

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

4）綜合考慮轉(zhuǎn)矩脈動、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)合約束條件開展多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計工作，提升電機的綜合性能。

5）開展軸向疊片、多層磁障、組合磁障等拓撲方案的研究，實現(xiàn)從集中式磁障向分散式磁障的過渡，并嘗試合理化電磁設(shè)計、安全性應(yīng)力校核以及加工制造流程分析等工作。

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。