永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guó)際市場(chǎng)管控影響具有波動(dòng)性，稀土材料生產(chǎn)過(guò)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(guó)家的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略思維和永磁電機(jī)固有的技術(shù)問(wèn)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(jiǎn)稱電勵(lì)磁電機(jī)）具備一定的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用優(yōu)勢(shì)。

由于勵(lì)磁磁場(chǎng)可調(diào)、無(wú)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(cè)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(shù)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(jìng)爭(zhēng)廠商的技術(shù)路線。

但是，電勵(lì)磁電機(jī)也存在一些無(wú)法回避的技術(shù)問(wèn)題。因此，國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者都在積極推進(jìn)電勵(lì)磁電機(jī)無(wú)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(guò)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。

目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在電勵(lì)磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度提升技術(shù)方面的研究，主要集中在兩個(gè)層面，即磁阻轉(zhuǎn)矩提升技術(shù)和合成轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)技術(shù)。

1 磁阻轉(zhuǎn)矩提升技術(shù)

電勵(lì)磁凸極電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩由勵(lì)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(lì)磁轉(zhuǎn)矩降低，對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流和勵(lì)磁損耗同時(shí)減小，有助于提升電機(jī)效率和轉(zhuǎn)矩密度。磁阻轉(zhuǎn)矩近似正比于電機(jī)交直軸電感之差，電機(jī)交直軸電感之差增大，意味著電機(jī)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(lì)磁電機(jī)的概念，在轉(zhuǎn)子磁障中放置永磁體，電機(jī)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(lì)磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁障設(shè)置技術(shù)（見(jiàn)圖1a），在轉(zhuǎn)子極上沿著徑向開(kāi)槽以增加交軸磁阻，減小交軸電感。

2015年，法國(guó)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(lì)磁源的情況下提升電勵(lì)磁凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度的新方法，給出了圖1b所示的電機(jī)轉(zhuǎn)子改進(jìn)結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁凸極電機(jī)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(duì)直軸磁路影響不大，因此電機(jī)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(guó)漢陽(yáng)大學(xué)的B. Kwon教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組均對(duì)該問(wèn)題貢獻(xiàn)了創(chuàng)新性的解決方案，提出了多種磁障設(shè)置方法，并對(duì)磁障設(shè)置規(guī)則、設(shè)計(jì)方法和形狀參數(shù)等進(jìn)行了深入的研究。結(jié)果表明，對(duì)于所研究的電機(jī)，當(dāng)單磁障寬度占轉(zhuǎn)子極寬約7%時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩增幅最大。有學(xué)者則利用Kriging法對(duì)一臺(tái)4極6槽帶有磁障的電勵(lì)磁電機(jī)開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(kāi)設(shè)磁障，除了能夠增大凸極率之外，會(huì)降低原有直軸磁路的寬度，加劇直軸磁路飽和，引起勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩下降，應(yīng)該合理平衡磁阻轉(zhuǎn)矩增大和勵(lì)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(duì)一臺(tái)4極36槽2kW電勵(lì)磁凸極電機(jī)，考慮直軸磁路寬度減小（開(kāi)設(shè)磁障帶來(lái)的影響）和直軸磁路有效寬度不變（開(kāi)設(shè)磁障的同時(shí)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(duì)稱方案和雙側(cè)設(shè)置增量對(duì)稱方案）的情況，結(jié)合單磁障和雙磁障的設(shè)置，開(kāi)展了電磁場(chǎng)有限元計(jì)算和分析工作，計(jì)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(lái)的總轉(zhuǎn)矩提升效果更佳。與無(wú)磁障情況相比，總轉(zhuǎn)矩的最大值增長(zhǎng)幅度約為13.9%。對(duì)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(qiáng)技術(shù)

電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩并不等于勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩最大值的疊加，而是等于兩者瞬時(shí)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(lì)磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩最大值出現(xiàn)的時(shí)刻，即兩種轉(zhuǎn)矩曲線軸線之間的位置關(guān)系。

將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩最大時(shí)對(duì)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(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中已有所應(yīng)用。圖3定性地描述了轉(zhuǎn)矩軸線偏移帶來(lái)的總轉(zhuǎn)矩提升機(jī)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(duì)比

借鑒上述磁偏置技術(shù)，開(kāi)展電勵(lì)磁電機(jī)的電磁和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以提升電勵(lì)磁電機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩。韓國(guó)學(xué)者針對(duì)一臺(tái)4極6槽電勵(lì)磁電機(jī)設(shè)計(jì)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(guò)合理地選擇永磁體的充磁方向，兩類結(jié)構(gòu)都能實(shí)現(xiàn)磁偏置，使得勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩軸線與磁阻轉(zhuǎn)矩軸線靠近，提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。另外，還可以借鑒有關(guān)文獻(xiàn)提出的勵(lì)磁繞組配置方案，用電勵(lì)磁取代永磁形成“雙軸”勵(lì)磁的效果，提升電機(jī)運(yùn)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(duì)前述4極36槽2kW電勵(lì)磁凸極電機(jī)，作者對(duì)直軸磁路有效寬度不變（對(duì)稱增量）雙磁障模型進(jìn)行了磁偏置設(shè)置，在磁障中添加鐵氧體永磁體，計(jì)算得到磁阻轉(zhuǎn)矩、勵(lì)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(lì)磁源的同時(shí)帶來(lái)磁偏置效應(yīng)，在設(shè)置磁障的基礎(chǔ)上，總轉(zhuǎn)矩進(jìn)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(guó)、法國(guó)、芬蘭學(xué)者也在積極探索電勵(lì)磁電機(jī)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(lì)磁為主的混合勵(lì)磁電機(jī)，進(jìn)一步增強(qiáng)電機(jī)的主磁場(chǎng)。德國(guó)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(jī)轉(zhuǎn)矩提升了3%、效率提高了0.5%。法國(guó)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(lì)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(qiáng)技術(shù)為代表的電勵(lì)磁電機(jī)性能提升方法受到高度關(guān)注。此外，考慮勵(lì)磁部分設(shè)計(jì)的靈活性，并結(jié)合增去磁時(shí)間要求，開(kāi)展電樞側(cè)與勵(lì)磁側(cè)的聯(lián)合設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作同樣具有重要意義，勢(shì)必會(huì)促進(jìn)電勵(lì)磁電機(jī)向緊湊化、輕量化方向發(fā)展。

同時(shí)，將新材料（高性能硅鋼）、新拓?fù)洌姍C(jī)與電路拓?fù)洌⑿鹿に嚕ū饩€繞組、拼裝結(jié)構(gòu)等）等方法和技術(shù)應(yīng)用到電勵(lì)磁電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造中，將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)提升電機(jī)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(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(guó)家自然科學(xué)基金的資助。