- 頭條東南大學專家發表電勵磁電機無刷勵磁與轉矩密度提升的技術綜述2022-08-06 作者：付興賀、江政龍 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語東南大學電氣工程學院、卡爾斯魯厄理工學院電氣工程研究所的研究人員付興賀、江政龍、呂鴻飛、顧勝東、崔維龍，在2022年第7期《電工技術學報》上撰文，首先分析永磁同步電機和電勵磁同步電機的特性差異，指出電勵磁同步電機的優勢以及存在的問題。其次，歸納梳理了電勵磁同步電機無刷勵磁的演變過程和技術路線，闡明勵磁機勵磁、諧波勵磁、感性和容性無線電能傳輸技術在勵磁繞組非接觸供電方面的研究進展和應用水平。然后，總結現有磁阻轉矩利用技術、轉子結構改進技術以及轉矩軸線平移技術，指明上述技術對電勵磁同步電機轉矩提升的有益效果。最后，指出該領域存在的問題，并預測未來研究重點和技術發展方向。
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。
2012年，悉尼科技大學的學者David G. Dorrell在第38屆工業電子年會上提出疑問：繞線轉子電勵磁同步電機是否適合高效高轉矩密度汽車驅動領域？2015年，國際權威電機專家美國威斯康星大學的T. A. Lipo教授發表了題為“被人們忘卻的電勵磁同步電機”的文章。2016年，T. A. Lipo教授又在ECCE國際會議上作了題為“電機學科發展評論”的特約報告。
上述文章和報告指出“傳統的電勵磁電機正邁進文藝復興時期”，這一觀點引起了學術界和企業界對電勵磁電機的關注。從David G. Dorrell教授提出問題到現在過去了近十年時間，電勵磁電機相關的研究成果不斷涌現，電機各方面的性能在持續提升。
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。
由于勵磁磁場可調，電勵磁電機多一個控制自由度，可以進一步提升功率因數，增大峰值功率，提高運行效率，非滿載運行的效果更為明顯。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：需要電刷和集電環為勵磁繞組供電，緊湊式結構設計難度大；存在勵磁損耗，單點運行效率低于永磁電機；輸出轉矩/功率密度低等。若能解決勵磁繞組供電問題，并提高功率和轉矩密度，電勵磁電機具有特殊的優勢和應用價值。
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。
東南大學電氣工程學院、卡爾斯魯厄理工學院電氣工程研究所的研究人員分析了電勵磁電機的性能優勢與瓶頸問題，歸納了無刷勵磁技術和轉矩密度提升技術的發展歷程和關鍵問題，指出未來研究重點和技術發展方向。
他們認為勵磁機勵磁發展較早、技術成熟，但軸向長度長，占用空間大，而且旋轉部分的慣量較大，電動運行時電機的動態性能不佳?！凹伞眲畲艡C勵磁需要改動電機本體結構或驅動器電路拓撲，對電機設計和驅動算法提出新的要求，同時低速工況勵磁電壓建立困難。電感耦合或電容耦合勵磁方式對電機結構改動較少，電機和勵磁裝置可以分開設計，較容易實現緊湊化、輕量化目標，尤其是電感耦合方式更具發展潛力。
研究人員表示，依托磁障結構提升凸極比、增大磁阻轉矩是一種有效方法。引入永磁體勵磁，增加磁勢源的同時產生磁偏置效果，可以增強磁阻轉矩利用率，進一步提高輸出轉矩。
無刷勵磁技術、轉矩密度提升技術對提高電勵磁電機可靠性和高單位電流出力能力，拓展電機的適用性和應用領域發揮了作用，他們認為后續可以在以下方面進行重點研究，完善技術細節，促進技術進步。
1）以緊湊化和小體積為目標開展勵磁裝置設計，探索電機端部空間利用、無鐵心磁路結構以及高頻諧振技術，同時應關注漏感、寄生參數、銅耗、和效率等指標以及高頻、低頻電磁場的耦合問題。
2）為構建勵磁電流的閉環調節，在保證檢測系統簡潔性和低成本的前提下，開展勵磁電流的非接觸、高精度檢測或估算工作，并探索勵磁電流和電樞電流的協調控制策略。
3）除了磁場、電場分布特性、電磁參數特性研究以外，還應關注勵磁能量供給電路的拓撲結構、補償網絡、調制和控制算法，以提高電感或電容耦合無線勵磁能量傳輸的效率。
4）綜合考慮轉矩脈動、THD指標、銅耗、鐵耗（尤其是高速區的鐵耗）、材料消耗等方面，依托磁障設置和磁偏置技術，結合約束條件開展多目標優化設計工作，提升電機的綜合性能。
5）開展軸向疊片、多層磁障、組合磁障等拓撲方案的研究，實現從集中式磁障向分散式磁障的過渡，并嘗試合理化電磁設計、安全性應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。
