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。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。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)稱電勵(lì)磁電機(jī)）具備一定的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用優(yōu)勢(shì)。

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。但是，隨著電動(dòng)汽車、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。

在全球輕型車測(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)問題。因此，國(guó)內(nèi)外專家、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。

1 電勵(lì)磁電機(jī)的優(yōu)勢(shì)

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)汽車應(yīng)用，作者團(tuán)隊(duì)開展了永磁電機(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?？梢姡诒３蛛姍C(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

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。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)的有效材料用量見表2。

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)。

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)。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?？紤]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。

1.3 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：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。

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)。

圖1電勵(lì)磁電機(jī)和永磁電機(jī)的效率分布

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。

2 制約電勵(lì)磁電機(jī)應(yīng)用與發(fā)展的關(guān)鍵問題

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)汽車應(yīng)用，軸向長(zhǎng)度的增加與電動(dòng)汽車結(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，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。

本文編自2022年第7期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，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?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。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。