永磁電機具有結構簡單、質量輕、效率高等優點，在諸多領域有著廣泛應用。但是，稀土材料作為戰略資源具有稀缺性和不可再生性，稀土材料價格受供求關系及國際市場管控影響具有波動性，稀土材料生產過程具有高污染性。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致永磁電機的繞組銅耗增加，高速區的運行效率降低。鑒于國家的長遠戰略思維和永磁電機固有的技術問題，成本低、勵磁可控以及設計方法成熟的電勵磁同步電機（以下簡稱電勵磁電機）具備一定的發展潛力和應用優勢。

由于勵磁磁場可調、無功功率雙向可控，以及較好的短路故障承受能力、較快的機電暫態特性，電勵磁電機常用于電力系統的發電領域。但是，隨著電動汽車、全電飛機、電氣化軌道交通的提出和發展，電勵磁電機的應用領域有望進一步拓展。

在全球輕型車測試規程中，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技術，走出了有別于其他競爭廠商的技術路線。但是，電勵磁電機也存在一些無法回避的技術問題。因此，國內外專家、學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構、優化電磁設計等手段提升電勵磁電機性能，擴大電勵磁電機的應用范圍。

1 電勵磁電機的優勢

1.1 成本優勢

就材料消耗而言，電勵磁電機無永磁體，雖然繞組用銅多，但鐵心疊片可以更少。盡管銅價高于疊片價格，但稀土永磁材料的價格遠高于銅價。所以，電勵磁電機的材料成本可以低于永磁電機。針對電動汽車應用，作者團隊開展了永磁電機和電勵磁電機的設計、計算和性能、成本的對比分析工作。

對于具有相同性能指標和尺寸要求的永磁電機和電勵磁電機，表1給出了兩種電機主要部件的材料用量，并按照材料的市場價格計算了電機成本，由于加工、制造等工藝成本的變數較大，暫作忽略處理?？梢?，在保持電機尺寸和功率指標相同的前提下，電勵磁電機具有一定的成本優勢。

表1

英國謝菲爾德大學的諸自強教授對2010款豐田普銳斯混合動力汽車用永磁電機和其自行設計的電勵磁電機進行了對比分析。在保持相同的定子外徑、有效軸向長度、有效氣隙、極槽配合、每相串聯匝數的前提下，兩種電機的有效材料用量見表2。

表2

按照主要材料的國內價格，作者計算出了兩種電機的材料成本，同樣驗證了電勵磁電機具有一定的價格優勢。

1.2 性能優勢

由于勵磁電流可控，在全速域范圍內電勵磁電機均能產生較大的輸出轉矩，獲得飽滿的動態加減速特性，尤其是對于中高速運行區間更為明顯。對于永磁電機，很難兼顧高速區恒功率特性和低速區大轉矩特性，即恒功率區間較窄，且存在一個電磁方案限定的轉速上限。

對于電勵磁電機，通過調節勵磁電流，可以始終保持恒定的機械功率輸出，不存在電磁方案決定的轉速上限，擴速能力較強。電勵磁電機具有極佳的負載兼容能力：對于滿載運行，通過增強磁場，可以產生更大的動力轉矩；對于輕載運行，可以減小勵磁電流，降低勵磁損耗。勵磁電流的靈活可控意味著無需調節電樞繞組中的無功電流，即可降低供電電源的容量要求。此外，當供電電源達到輸出極限時，電勵磁電機的功率因數和輸出轉矩仍處于可控狀態。

上述優勢是永磁電機難以企及的。另外，電勵磁電機的反電動勢與勵磁電流相關，直軸電感大于交軸電感，短路時對應的直軸電流小于交軸電流，上述特點說明電勵磁電機具有較強的容錯能力?？紤]故障情況（永久短路、緊急停機等），可以切斷勵磁電流以保障系統安全，從而降低了對電力電子方面所采取的安全措施的要求。

1.3 效率優勢

勵磁電流具有調配電機性能和效率的作用，勵磁可調意味著性能和效率的平衡可控。電勵磁電機的單點效率高于異步電機，綜合效率接近甚至可能超過永磁電機。

諸自強教授以2010款普銳斯電動汽車用永磁電機為參考，在保證相同尺寸的前提下，優化設計了一款電勵磁電機，并計算了二者在0~14 000r/min轉速范圍內的系統效率。分析計算結果表明，電勵磁電機和永磁電機的最高效率分別達到了94%和96%，在全速度范圍內兩種電機的單點效率差也一直維持在2%左右。但是，電勵磁電機的恒功率范圍更寬，而永磁電機的高效區面積更大。

T. A. Lipo教授將2007款凱美瑞電動汽車用永磁電機和一臺14.5kW商業電勵磁電機進行比較并指出：在額定轉速以下，電勵磁電機的效率接近93%，低于永磁電機；但在額定轉速以上，通過減小勵磁電流實現弱磁升速，電勵磁電機的效率甚至比永磁電機弱磁控制時的效率高，且效率93%以上的區域面積更大。也有學者針對基于耦合變壓器的電勵磁電機進行研究，并與內嵌式永磁電機進行比較，同樣得到了電勵磁電機高速區運行效率更高的結論。

針對表1提及的永磁電機和電勵磁電機，作者計算了0~16 000r/min轉速范圍內電勵磁電機和永磁電機電動運行和發電運行時的效率，結果如圖1所示，圖中轉矩基值為永磁電機的最大轉矩。

圖1表明，電勵磁電機和永磁電機的單點最高效率均能夠達到97%；在全速度范圍內，電勵磁電機的效率與永磁電機的效率相當，尤其是高速區效率甚至高于永磁電機。但是，在額定轉速附近，永磁電機的高效區面積略大于電勵磁電機。

為了考慮不同時速運行時間長短的綜合效率，以典型的全球輕型車輛統一試驗程序（Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure，WLTP）規定的工況為例，作者計算了兩種電機的綜合效率指標，圖1中的“白色圓圈”表示考慮WLTP工況時電勵磁電機和永磁電機的實際工作點。在WLTP工況約束下，計算電勵磁電機和永磁電機的平均綜合效率分別為95.1%和95.3%，永磁電機略占優勢。

圖1電勵磁電機和永磁電機的效率分布

綜上所述，永磁電機和電勵磁電機具有不同的性能優勢，應該結合具體運行工況、控制策略等合理評價。

作者認為，就綜合性能而言，永磁電機的優勢更為突出。但是，當出現永磁體價格上漲導致永磁電機的成本大幅增加，以及考慮政治因素影響導致永磁體無法正常供應時，電勵磁電機是一種具有較強競爭力的替代方案。

2 制約電勵磁電機應用與發展的關鍵問題

除了具有上述優勢，電勵磁電機也面臨著一些問題：需要電刷、集電環為勵磁繞組供電，轉矩密度和功率密度有待提高等。電刷集電環式勵磁系統具有結構簡單、成本低、響應快等特點，但需要定期維護，易產生粉塵污染，不能用于爆炸環境，且勵磁功率受限。對于工業或電氣化交通領域應用，電刷集電環勵磁會引起結構、可靠性、應力、發熱等問題。

首先，考慮摩擦產生的粉塵和火花，需要將固定在轉軸上的電刷集電環置于機殼和軸承之外，導致電機軸向長度增加。對于電動汽車應用，軸向長度的增加與電動汽車結構緊湊化趨勢不符。

其次，為增加電刷的導電性能、降低電阻率，會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，電機運行時電刷甚至出現不規則跳動。

再次，高轉速對電刷材料的可靠性提出挑戰。電刷能夠承受的速度極限約在30~40m/s，電動汽車用的驅動電機最高轉速近萬轉，幾乎達到甚至超過電刷的速度極限，此時穩定的電流傳輸難以保障。

最后，電刷與集電環接觸以及電流流過繞組會產生熱效應，澆注集電環基質的環氧樹脂難以同時承受較高的機械負荷和熱負荷，易產生開裂，甚至損壞。

另外，電勵磁電機的勵磁磁場來源于勵磁電流，在氣隙磁通密度基波幅值相同的前提下，電勵磁電機的轉子側質量和體積會超過永磁電機，導致電勵磁電機的轉矩和功率密度不高。

寶馬公司2018年推出的電驅動用永磁電機的峰值功率密度突破了15kW/kg，對于無稀土永磁電機的峰值功率密度有可能超過7kW/kg。歐洲Brusa公司2014年推出的一款電勵磁電機的峰值功率密度達到3.3kW/kg，最大轉矩密度為5.9N?m/kg。可見，與永磁電機相比，電勵磁電機的功率和轉矩密度指標還處于劣勢，可以通過拓撲結構改進、優化設計等手段加以提高。

本文編自2022年第7期《電工技術學報》，第一作者和通訊作者為付興賀，1978年生，博士，東南大學電氣工程學院副教授，研究方向為高溫特種電機及其控制、伺服系統多源異構擾動抑制。本課題得到了國家自然科學基金的資助。