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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。

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(huì)上提出疑問：繞線轉(zhuǎn)子電勵(lì)磁同步電機(jī)是否適合高效高轉(zhuǎn)矩密度汽車驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域？2015年，國際權(quán)威電機(jī)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(lì)磁同步電機(jī)”的文章。2016年，T. A. Lipo教授又在ECCE國際會(huì)議上作了題為“電機(jī)學(xué)科發(fā)展評論”的特約報(bào)告。

上述文章和報(bào)告指出“傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)正邁進(jìn)文藝復(fù)興時(shí)期”，這一觀點(diǎn)引起了學(xué)術(shù)界和企業(yè)界對電勵(lì)磁電機(jī)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(shí)間，電勵(lì)磁電機(jī)相關(guān)的研究成果不斷涌現(xiàn)，電機(jī)各方面的性能在持續(xù)提升。

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。

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

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。

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(lì)磁電機(jī)的性能優(yōu)勢與瓶頸問題，歸納了無刷勵(lì)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(diǎn)和技術(shù)發(fā)展方向。

他們認(rèn)為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)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(dòng)運(yùn)行時(shí)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能不佳。“集成”勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁需要改動(dòng)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)或驅(qū)動(dòng)器電路拓?fù)?，對電機(jī)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)算法提出新的要求，同時(shí)低速工況勵(lì)磁電壓建立困難。電感耦合或電容耦合勵(lì)磁方式對電機(jī)結(jié)構(gòu)改動(dòng)較少，電機(jī)和勵(lì)磁裝置可以分開設(shè)計(jì)，較容易實(shí)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(lì)磁，增加磁勢源的同時(shí)產(chǎn)生磁偏置效果，可以增強(qiáng)磁阻轉(zhuǎn)矩利用率，進(jìn)一步提高輸出轉(zhuǎn)矩。

無刷勵(lì)磁技術(shù)、轉(zhuǎn)矩密度提升技術(shù)對提高電勵(lì)磁電機(jī)可靠性和高單位電流出力能力，拓展電機(jī)的適用性和應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮了作用，他們認(rèn)為后續(xù)可以在以下方面進(jìn)行重點(diǎn)研究，完善技術(shù)細(xì)節(jié)，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步。

1）以緊湊化和小體積為目標(biāo)開展勵(lì)磁裝置設(shè)計(jì)，探索電機(jī)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(shí)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(lì)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(lì)磁電流的非接觸、高精度檢測或估算工作，并探索勵(lì)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(lì)磁能量供給電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、補(bǔ)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(lì)磁能量傳輸?shù)男省?/p>

4）綜合考慮轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、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(jì)工作，提升電機(jī)的綜合性能。

5）開展軸向疊片、多層磁障、組合磁障等拓?fù)浞桨傅难芯?，?shí)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(jì)、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(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。