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。

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。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(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。

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者在電勵磁電機轉(zhuǎn)矩密度提升技術(shù)方面的研究，主要集中在兩個層面，即磁阻轉(zhuǎn)矩提升技術(shù)和合成轉(zhuǎn)矩增強技術(shù)。

1 磁阻轉(zhuǎn)矩提升技術(shù)

電勵磁凸極電機的輸出轉(zhuǎn)矩由勵磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩組成。輸出轉(zhuǎn)矩不變，增大磁阻轉(zhuǎn)矩占比，意味著勵磁轉(zhuǎn)矩降低，對應(yīng)的勵磁電流和勵磁損耗同時減小，有助于提升電機效率和轉(zhuǎn)矩密度。磁阻轉(zhuǎn)矩近似正比于電機交直軸電感之差，電機交直軸電感之差增大，意味著電機的凸極效應(yīng)更為明顯，凸極率變大，磁阻轉(zhuǎn)矩提升。

2005年，丹麥奧爾堡大學(xué)的Frede Blaabjerg教授于提出了“雙軸”電勵磁電機的概念，在轉(zhuǎn)子磁障中放置永磁體，電機的凸極率是4.75。2013年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的學(xué)者提出電勵磁電機轉(zhuǎn)子磁障設(shè)置技術(shù)（見圖1a），在轉(zhuǎn)子極上沿著徑向開槽以增加交軸磁阻，減小交軸電感。

2015年，法國巴黎中央理工-高等電力學(xué)院的研究人員提出在不增加額外勵磁源的情況下提升電勵磁凸極電機轉(zhuǎn)矩密度的新方法，給出了圖1b所示的電機轉(zhuǎn)子改進結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的電勵磁凸極電機相比，新結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)子側(cè)設(shè)置了雙條磁障，增加了交軸磁路的磁阻，而對直軸磁路影響不大，因此電機的凸極率提升了約30%。

圖1 具有磁障的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

T. A. Lipo教授和韓國漢陽大學(xué)的B. Kwon教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組均對該問題貢獻了創(chuàng)新性的解決方案，提出了多種磁障設(shè)置方法，并對磁障設(shè)置規(guī)則、設(shè)計方法和形狀參數(shù)等進行了深入的研究。結(jié)果表明，對于所研究的電機，當單磁障寬度占轉(zhuǎn)子極寬約7%時，磁阻轉(zhuǎn)矩增幅最大。有學(xué)者則利用Kriging法對一臺4極6槽帶有磁障的電勵磁電機開展優(yōu)化設(shè)計，最終的凸極率和磁阻轉(zhuǎn)矩分別提升了9.27%和20.45%。

轉(zhuǎn)子磁極開設(shè)磁障，除了能夠增大凸極率之外，會降低原有直軸磁路的寬度，加劇直軸磁路飽和，引起勵磁轉(zhuǎn)矩下降，應(yīng)該合理平衡磁阻轉(zhuǎn)矩增大和勵磁轉(zhuǎn)矩減小的幅度，保證輸出總轉(zhuǎn)矩最大。因此，作者針對一臺4極36槽2kW電勵磁凸極電機，考慮直軸磁路寬度減?。ㄩ_設(shè)磁障帶來的影響）和直軸磁路有效寬度不變（開設(shè)磁障的同時增加磁極寬度，保持直軸磁路有效寬度不變，又分為單側(cè)設(shè)置增量不對稱方案和雙側(cè)設(shè)置增量對稱方案）的情況，結(jié)合單磁障和雙磁障的設(shè)置，開展了電磁場有限元計算和分析工作，計算結(jié)果如圖2所示。

圖2表明，在直軸磁路有效寬度不變的前提下，雙磁障設(shè)置帶來的總轉(zhuǎn)矩提升效果更佳。與無磁障情況相比，總轉(zhuǎn)矩的最大值增長幅度約為13.9%。對應(yīng)的雙磁障寬度占轉(zhuǎn)子極寬的8.5%。

圖2 不同方案的總轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩

2 合成轉(zhuǎn)矩增強技術(shù)

電機的輸出轉(zhuǎn)矩并不等于勵磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩最大值的疊加，而是等于兩者瞬時值之和。因此，僅追求提升磁阻轉(zhuǎn)矩的最大值并不能很好地滿足要求，還應(yīng)探索勵磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩最大值出現(xiàn)的時刻，即兩種轉(zhuǎn)矩曲線軸線之間的位置關(guān)系。

將電機輸出轉(zhuǎn)矩最大時對應(yīng)的磁阻轉(zhuǎn)矩分量與磁阻轉(zhuǎn)矩最大值的比值定義為磁阻轉(zhuǎn)矩利用率，磁偏置技術(shù)是一種可以提升磁阻轉(zhuǎn)矩利用率的技術(shù)，其在永磁電機優(yōu)化設(shè)計中已有所應(yīng)用。圖3定性地描述了轉(zhuǎn)矩軸線偏移帶來的總轉(zhuǎn)矩提升機理，其中，角度δ即為轉(zhuǎn)矩軸線偏移量。

圖3 磁偏置前后轉(zhuǎn)矩對比

借鑒上述磁偏置技術(shù)，開展電勵磁電機的電磁和拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以提升電勵磁電機的合成轉(zhuǎn)矩。韓國學(xué)者針對一臺4極6槽電勵磁電機設(shè)計了兩類轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖4所示。一類是在轉(zhuǎn)子極身設(shè)置磁障，并在磁障內(nèi)設(shè)置永磁體；另一類是在轉(zhuǎn)子極靴間設(shè)置永磁體。通過合理地選擇永磁體的充磁方向，兩類結(jié)構(gòu)都能實現(xiàn)磁偏置，使得勵磁轉(zhuǎn)矩軸線與磁阻轉(zhuǎn)矩軸線靠近，提高電機的輸出轉(zhuǎn)矩。另外，還可以借鑒有關(guān)文獻提出的勵磁繞組配置方案，用電勵磁取代永磁形成“雙軸”勵磁的效果，提升電機運行特性。

圖4產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩軸線偏移效應(yīng)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

針對前述4極36槽2kW電勵磁凸極電機，作者對直軸磁路有效寬度不變（對稱增量）雙磁障模型進行了磁偏置設(shè)置，在磁障中添加鐵氧體永磁體，計算得到磁阻轉(zhuǎn)矩、勵磁轉(zhuǎn)矩和總轉(zhuǎn)矩如圖5所示。在磁障內(nèi)安放永磁體后，永磁體作為勵磁源的同時帶來磁偏置效應(yīng)，在設(shè)置磁障的基礎(chǔ)上，總轉(zhuǎn)矩進一步提高了約14.5%。

圖5 軸線偏移后三種轉(zhuǎn)矩曲線

此外，德國、法國、芬蘭學(xué)者也在積極探索電勵磁電機的性能提升技術(shù)，提出了在轉(zhuǎn)子側(cè)不同位置處安放永磁體構(gòu)成以電勵磁為主的混合勵磁電機，進一步增強電機的主磁場。德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的研究人員將少量永磁體放置在轉(zhuǎn)子極靴端部，電機轉(zhuǎn)矩提升了3%、效率提高了0.5%。法國里爾中央理工學(xué)院的學(xué)者提出在轉(zhuǎn)子極靴上放置永磁體，永磁磁通與電勵磁磁通構(gòu)成串聯(lián)回路，或者在轉(zhuǎn)子極靴之間放置永磁體，構(gòu)成并聯(lián)磁路。

目前，以功率/轉(zhuǎn)矩密度提升和合成轉(zhuǎn)矩增強技術(shù)為代表的電勵磁電機性能提升方法受到高度關(guān)注。此外，考慮勵磁部分設(shè)計的靈活性，并結(jié)合增去磁時間要求，開展電樞側(cè)與勵磁側(cè)的聯(lián)合設(shè)計與優(yōu)化工作同樣具有重要意義，勢必會促進電勵磁電機向緊湊化、輕量化方向發(fā)展。

同時，將新材料（高性能硅鋼）、新拓撲（電機與電路拓撲）、新工藝（扁線繞組、拼裝結(jié)構(gòu)等）等方法和技術(shù)應(yīng)用到電勵磁電機的設(shè)計和制造中，將會進一步促進上述目標的實現(xiàn)，同時提升電機系統(tǒng)的兼容性和可靠性。

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。