永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、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)系及國際市場管控影響具有波動(dòng)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(jī)的繞組銅耗增加，高速區(qū)的運(yùn)行效率降低。鑒于國家的長遠(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)（以下簡稱電勵(lì)磁電機(jī)）具備一定的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用優(yōu)勢。

由于勵(lì)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(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爭廠商的技術(shù)路線。

但是，電勵(lì)磁電機(jī)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(jìn)電勵(lì)磁電機(jī)無刷化進(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。

1950年，國外學(xué)者克萊倫斯提出了無刷勵(lì)磁方法，后來世界各個(gè)國家陸續(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。目前，主流的無刷勵(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?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1所示。

圖1 電勵(lì)磁電機(jī)勵(lì)磁繞組供電方式

1 勵(lì)磁機(jī)式勵(lì)磁系統(tǒng)

勵(lì)磁機(jī)式無刷勵(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)磁磁場建立方法有多種，如圖2所示。

依托直流勵(lì)磁繞組，直流電源可來自于主電機(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；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2 勵(lì)磁機(jī)式勵(lì)磁磁場建立方法

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。當(dāng)勵(lì)磁電源的工作頻率非系統(tǒng)的基波頻率時(shí)，又稱為諧波勵(lì)磁方案，而且以該方案居多。對于諧波勵(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，用以捕獲氣隙磁場中的諧波磁場能量，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來源的不同，目前文獻(xiàn)報(bào)道的諧波勵(lì)磁方式如圖3所示。

圖3 “集成”勵(lì)磁機(jī)式勵(lì)磁方法分類

諧波勵(lì)磁的研究重點(diǎn)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(jī)固有的諧波磁場，諧波繞組中被動(dòng)地感應(yīng)出交流電動(dòng)勢。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)式無刷勵(lì)磁方案可能的系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

圖4 “集成”勵(lì)磁機(jī)式無刷勵(lì)磁方案

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，后來通過與電機(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T. A. Lipo教授與韓國漢陽大學(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)一組開關(guān)管。在電樞電流正負(fù)半周接近過零點(diǎn)處開關(guān)管短時(shí)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(yùn)行，在電樞繞組中產(chǎn)生3次諧波電流，再由3次諧波磁場在轉(zhuǎn)子側(cè)諧波繞組中產(chǎn)生感應(yīng)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(dòng)勢的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，該方案可以充分利用3次諧波，且具有諧波磁場獨(dú)立控制、磁場建立容易的特點(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，針對開繞組和半開繞組電機(jī)，中韓學(xué)者又提出了同時(shí)利用定轉(zhuǎn)子3次諧波合成磁場的新方法。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(xué)院學(xué)者研究了基于感應(yīng)電機(jī)原理的無刷勵(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。為了避免磁場耦合，兩部分的極對數(shù)不同。有學(xué)者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)勢和諧波磁動(dòng)勢的耦合，在低速階段很難實(shí)現(xiàn)電樞主磁場和諧波磁場的獨(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(xué)提出在電機(jī)定子側(cè)采用新型多相分?jǐn)?shù)槽非對稱集中繞組，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。轉(zhuǎn)子側(cè)放置兩套繞組（諧波繞組-感生電動(dòng)勢，勵(lì)磁繞組-建立勵(lì)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(shí)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(dòng)構(gòu)建）、諧波電流和電樞繞組磁動(dòng)勢諧波、磁動(dòng)勢諧波建立勵(lì)磁磁場的三種模式，實(shí)現(xiàn)了零速和低速下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的提升。

2.3 電機(jī)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(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，從而避免電路拓?fù)涓脑旌统杀驹黾印?/p>

典型的方法包括日本學(xué)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(lì)磁繞組，建立勵(lì)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(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)，還需通過控制器注入時(shí)間諧波，以增強(qiáng)諧波磁場的能量。

針對5.4MV◆A的大功率電勵(lì)磁電機(jī)，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(yīng)出勵(lì)磁電勢，走出了一條與眾不同的技術(shù)路線。有學(xué)者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(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(yīng)繞組提供勵(lì)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(lì)磁方案比較

3 無線能量傳輸式勵(lì)磁系統(tǒng)

無線能量傳輸式勵(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(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)。

3.1 電感耦合式能量傳輸技術(shù)

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

目前，世界主要發(fā)達(dá)國家、甚至發(fā)展中國家都在積極開展電感耦合式電勵(lì)磁電機(jī)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(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。

國內(nèi)的哈爾濱理工大學(xué)、東南大學(xué)也開展了相關(guān)研究，尤其東南大學(xué)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(lì)磁電機(jī)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。表2對部分文獻(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，有學(xué)者還給出了其他的技術(shù)方案。

圖5 電感耦合式無刷勵(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)，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(lì)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(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，并在相關(guān)文獻(xiàn)中對比了鐵氧體、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)容對能量傳輸特性有重要影響。德國學(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)。

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(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，美國學(xué)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?fù)?，并指出在同容量的電機(jī)中，該方案的總體尺寸與質(zhì)量明顯減小。東南大學(xué)譚林林教授在有關(guān)文獻(xiàn)中介紹了磁耦合諧振式無刷勵(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刷勵(lì)磁系統(tǒng)，AC-AC拓?fù)浣Y(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(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)的效率。

電感耦合式無刷勵(lì)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(shí)用化提供了有益參考。

表3電容耦合式無刷勵(lì)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(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刷勵(lì)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(lì)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(lì)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(jì)、寄生參數(shù)和應(yīng)用技術(shù)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(lì)磁的首選方案。

該小組所報(bào)道的三種設(shè)計(jì)方案見表4，通過結(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。

表4 三種勵(lì)磁方式的比較分析

3.3 無線勵(lì)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(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：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(jī)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。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。

此外，針對電勵(lì)磁電機(jī)應(yīng)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(diǎn)，三種勵(lì)磁方式的比較結(jié)果見表4。可以看出，幾種方式各有優(yōu)勢，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用做出抉擇。

就目前的報(bào)道而言，美國通用汽車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。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)問題還有待完善，離實(shí)際應(yīng)用仍有一定距離。

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。本課題得到了國家自然科學(xué)基金的資助。