電勵磁同步電機無刷勵磁與轉矩密度提升技術發展綜述

付興賀 江政龍 呂鴻飛 顧勝東 崔維龍

電勵磁同步電機無刷勵磁與轉矩密度提升技術發展綜述

付興賀1江政龍1呂鴻飛2顧勝東1崔維龍1

（1. 東南大學電氣工程學院 南京 210096 2. 卡爾斯魯厄理工學院電氣工程研究所卡爾斯魯厄 76131）

該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。

電勵磁同步電機 無刷勵磁 諧波勵磁 無線電能傳輸 轉矩密度

0 引言

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[1-2]。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[3]。

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[4]：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[5]。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[6]。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[7]。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[8-10]。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[11-12]。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。

本文首先論述了電勵磁電機的應用優勢和關鍵技術問題；其次，分析電勵磁電機勵磁繞組供電的主流方法及技術特點；然后，探討磁阻轉矩利用、磁偏置技術的原理，分析電勵磁電機轉矩/功率密度提升方法和技術；最后，對電勵磁電機的技術發展進行總結與評述，指出未來的研究重點和技術發展方向。

1 電勵磁電機的優勢與問題

1.1 電勵磁電機的優勢

1.1.1 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?？梢姡诒３蛛姍C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 兩種電機主要指標和材料成本對比

Tab.1 Comparison of performance index and material cost between PMSM and WFSM designed by the authors

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[13]。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。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。

表2 文獻[13]給出的兩種電機材料用量和計算所得成本

Tab.2 Comparison of material consumption and cost between PMSM and WFSM in Ref. [13]

1.1.2 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[14]。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。考慮故障情況（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。

1.1.3 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[5]：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[15]。

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。

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。

圖1 作者研究的電勵磁電機和永磁電機的效率分布

1.2 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?？梢姡c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。

2 電勵磁電機無刷勵磁技術

1950年，國外學者克萊倫斯提出了無刷勵磁方法，后來世界各個國家陸續從電機本體結構和勵磁電源供給方式兩方面給出了新措施和新方案[16-17]。目前，主流的無刷勵磁方法包括勵磁機方案、“集成”勵磁機方案和無線能量傳輸方案。針對每種方案，考慮輔助電源的能量產生原理、來源的不同，整流電路拓撲結構的差異及電源與電路的組合變化，可衍生出更為詳細的配置，具體如圖2所示。

圖2 電勵磁電機勵磁繞組供電方式

2.1 勵磁機式勵磁系統

勵磁機式無刷勵磁技術實際上是將一臺旋轉電樞式發電機作為主電機的勵磁機，此時主電機的定轉子結構保持不變，勵磁機的轉子三相繞組輸出的交流電經整流后直接接入主機轉子的勵磁繞組，勵磁機的勵磁磁場建立方法有多種，如圖3所示。依托直流勵磁繞組，直流電源可來自于主電機輸出端旁路后經整流變換的輸出、獨立的直流電源、獨立交流電源整流變換的輸出、副勵磁機電樞繞組變換輸出；也可用永磁體代替勵磁機定子側的勵磁繞組；或者基于感應電機原理，利用兩相或三相繞組建立勵磁磁場；甚至考慮直流電源的間歇性、不穩定性以及容量等因素，構建輔助直流電源與永磁體共用、旁路直流電源與永磁體共用、旁路直流電源與副勵磁機共用等勵磁方案。勵磁機的電樞繞組可以是三相交流繞組，也可以是雙三相星形繞組。

圖3 勵磁機式勵磁磁場建立方法

2.2 “集成”勵磁機式勵磁系統

將勵磁機與主機合并，共用一套定轉子鐵心，從而衍生出“集成”勵磁機的勵磁方案[18]。當勵磁電源的工作頻率非系統的基波頻率時，又稱為諧波勵磁方案[19]，而且以該方案居多。對于諧波勵磁而言，電機結構已與傳統的電勵磁電機有所區別。諧波勵磁方式要求電機中存在一套額外的諧波繞組，用以捕獲氣隙磁場中的諧波磁場能量，從而構建出勵磁電源。根據諧波繞組配置及諧波磁場來源的不同，目前文獻報道的諧波勵磁方式如圖4所示。

圖4 “集成”勵磁機式勵磁方法分類

諧波勵磁的研究重點在于諧波磁場的生成方式。在定子側設置諧波繞組，利用主機固有的諧波磁場，諧波繞組中被動地感應出交流電動勢。這種方式年代久遠，可控性較差，需要電刷、集電環。在轉子側設置諧波繞組，可以在轉軸上安裝整流裝置，實現無刷勵磁，是“集成”勵磁式勵磁系統的發展方向，“集成”勵磁機式無刷勵磁方案可能的系統構成如圖5所示。

圖5 “集成”勵磁機式無刷勵磁方案

2.2.1 轉子單相諧波繞組

早期，諧波勵磁技術主要利用3次諧波，后來通過與電機本體結構、控制方式結合誕生出眾多諧波利用技術，相關成果體現出一定創新和巧妙。

美國T. A. Lipo教授與韓國漢陽大學的研究人員合作，所提出的勵磁方案采用4極三相電樞繞組和12極諧波繞組，利用單臺逆變器為電樞繞組供電，定子三相繞組每一相并聯一組開關管[20]。在電樞電流正負半周接近過零點處開關管短時接通，在電樞繞組中產生零序電流。隨著開關的連續開斷運行，在電樞繞組中產生3次諧波電流，再由3次諧波磁場在轉子側諧波繞組中產生感應電壓。該方案無需利用額外繞組和逆變器向電樞繞組中注入諧波，只利用了電樞磁動勢的3次諧波。哈爾濱工業大學的學者給出了定子側同時放置4極三相電樞繞組和6極單相諧波產生繞組，轉子側放置6極諧波感應繞組和4極勵磁繞組的設計方案[21]，該方案可以充分利用3次諧波，且具有諧波磁場獨立控制、磁場建立容易的特點。該方案需要在定子側增設輔助繞組，并向其中注入諧波電流，增加了電機定子和逆變器的復雜性。因此，針對開繞組和半開繞組電機，中韓學者又提出了同時利用定轉子3次諧波合成磁場的新方法[22-24]。該方法的優點在于3次諧波與基波解耦，因此電機勵磁磁場可以不依賴負載電流而獨立控制。但這種方法要求兩套逆變器同時運行、協調控制，且逆變器容量要求高，系統造價昂貴，而且初始磁場建立困難。

2.2.2 轉子三相或多相諧波繞組

2018年，印度理工學院學者研究了基于感應電機原理的無刷勵磁系統。與前述諧波勵磁方法相比，該方案的特征在于轉子側采用了三相諧波感應繞組。因此，該方案與傳統勵磁機勵磁方案更為接近，相當于同步電機和感應電機同軸連接。為了避免磁場耦合，兩部分的極對數不同。文獻[25-26]分別給出了同步電機和異步電機2/6極組合和4/6極組合的設計方案。感應電機工作在自勵模式或零功率模式，即不需要外部電源提供有功功率。通過控制感應電機定子側的電流，實現同步電機的勵磁調節。

前述部分方法存在基波磁動勢和諧波磁動勢的耦合，在低速階段很難實現電樞主磁場和諧波磁場的獨立控制，因為低速時諧波繞組中感應出的電壓較低，轉子勵磁磁場建立較難。為了在零速或低速獲得較大轉矩，慕尼黑聯邦國防大學提出在電機定子側采用新型多相分數槽非對稱集中繞組，每槽線圈單獨與DC-AC模塊連接，這種連接方式可以產生頻率和幅值可控的多樣化的磁動勢[27]。轉子側放置兩套繞組（諧波繞組-感生電動勢，勵磁繞組-建立勵磁磁場）和多相整流裝置。上述配置具有較大的靈活性，通過控制方式的組合實現極對數可控、諧波磁場頻譜可調。最終，形成了零速、低速和高速下分別利用諧波電流（主動構建）、諧波電流和電樞繞組磁動勢諧波、磁動勢諧波建立勵磁磁場的三種模式，實現了零速和低速下電機輸出轉矩的提升。

2.2.3 電機空間諧波利用技術

上述方法可以視為通過控制注入電機繞組的電流形成不同的諧波頻譜和諧波含量，從而在轉子諧波繞組中收集諧波能量。除此之外，還有學者提出從電機本體結構入手，構建諧波磁場，從而避免電路拓撲改造和成本增加。典型的方法包括日本學者提出的轉子雙極式結構[28]，即轉子包括I極（放置諧波繞組，收集諧波能量）和E極（放置勵磁繞組，建立勵磁磁場）。而且，通過調整I極的參數，可以改變收集諧波的頻次[29]。但是這種依靠特殊結構建立的諧波磁場能量較低，尤其是在低速情況下，電機的轉矩密度低于內置式永磁同步電機（Inner-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM）。此時，還需通過控制器注入時間諧波，以增強諧波磁場的能量[30]。針對5.4MV×A的大功率電勵磁電機，美國ABB公司的研究人員提出利用氣隙磁場的19次齒槽諧波感應出勵磁電勢，走出了一條與眾不同的技術路線。文獻[31]給出了齒槽諧波利用的基本原理、電機設計方法以及仿真和實驗結果，證明該方法具有潛在應用優勢和市場前景。為去除產生的諧波繞組，德國慕尼黑聯邦國防大學的學者充分利用電機的極槽配合，構建了10極18槽的新概念電勵磁電機，該電機以5次諧波磁場為工作磁場，利用13次諧波建立諧波磁場，為轉子諧波感應繞組提供勵磁磁場[32-33]。

綜上所述，目前主要的諧波利用方法及其區別見表3。

表3 典型諧波勵磁方案比較

Tab.3 Comparison of typical harmonic excitation schemes

2.3 無線能量傳輸式勵磁系統

無線能量傳輸式勵磁系統分別在電機定子側和轉子側安裝能量發送和接收裝置，以電場或磁場為媒介將能量從定子側傳送到轉子側[34]。圖2c展示了在電機轉軸一端放置一套具有旋轉和固定線圈或極板的電能變換裝置的基本結構，主要包括電感耦合和電容耦合兩種能量傳輸技術。

2.3.1 電感耦合式能量傳輸技術

2018年，美國橡樹嶺國家實驗室和通用汽車公司將該技術應用于牽引電機，成功突破了電刷集電環的束縛[12, 15]。圖6給出了電感耦合式無刷勵磁系統的基本結構。目前，世界主要發達國家、甚至發展中國家都在積極開展電感耦合式電勵磁電機轉子無線電能傳輸技術的研究，包括美國[12,15]、德國[35-38]、日本[39]、瑞典[40]，法國[41]、羅馬尼亞[42]、斯洛文尼亞[43]等，其中德國的研究投入最大，漢諾威大學、斯圖加特大學、宇航中心、紐倫堡應用技術大學、漢諾威電驅系統研發中心、BMW公司、Continental集團、Mahle集團都陸續報道了最新的研究成果。國內的哈爾濱理工大學[44]、東南大學[45]也開展了相關研究，尤其東南大學探索了無鐵心磁耦合諧振式能量傳輸技術，獲取了大氣隙下能量傳輸特性，為電感耦合式能量傳輸技術在高速電勵磁電機中的應用奠定了基礎。表4對部分文獻提及的研究成果進行了總結，并概括出它們的關鍵特征和技術差異，文獻[43]還給出了其他的技術方案。

圖6 電感耦合式無刷勵磁系統

電感耦合式能量傳輸技術具有結構緊湊、配置靈活的特點[46]，該技術所依托的旋轉變壓器可以采用軸向結構、徑向結構或盤式結構。變壓器鐵心主要以鐵氧體為主，繞組多由銅箔或利茲線繞制而成，從而減小繞組的高頻損耗。由于鐵氧體材料具有易碎性，德國萊布尼茲-漢諾威大學的學者提出將電工鋼材料作為旋轉變壓器的磁心，探討了結構改進方法和性能提升效果[36]，并在文獻[47]中對比了鐵氧體、電工鋼以及軟磁復合（Soft Magnetic Composite, SMC）材料的優缺點。除了結構以外，旋轉變壓器的電磁設計、特性分析和數學建模等內容對能量傳輸特性有重要影響。德國學者建立了變壓器的等效電路模型和損耗計算模型，探討了不同頻率下的損耗特性，有助于全面理解和認識電感耦合式能量傳輸系統的機理和特性，為系統優化設計奠定了基礎[37]。

表4 電感耦合式無刷勵磁系統的技術參數

Tab.4 Technical parameter of inductive coupled brushless excitation system

電感耦合式無線電能傳輸技術需要利用逆變器和整流器對電能進行交直流轉換，變換器的拓撲結構直接決定了系統能量的傳輸效率。有源橋式逆變電路輸出電流近似方波或梯形波，諧波含量高，繞組損耗大。串聯諧振技術可改善電流波形使之更接近正弦波，降低繞組損耗，提高變換器效率。2016年，美國學者Gary William申請了專利，提出利用電容與電感諧振的電能變換拓撲，并指出在同容量的電機中，該方案的總體尺寸與質量明顯減小[48]。東南大學譚林林教授在文獻[49]中介紹了磁耦合諧振式無刷勵磁機構的工作原理，并設計了幾種不同的諧振器，開展了實驗研究，驗證了相關方案的可行性。交-直-交變換器中往往設置有大電容濾波環節，大容量濾波電容器占用較大的安裝空間, 導致變換器體積增大。T. A. Lipo教授設計了一種基于單相矩陣變換器的電感耦合式無刷勵磁系統[50]，AC-AC拓撲結構無需大容量濾波電容，體積小，結構簡單，尤其在中頻運行時效率較高。逆變電路的工作頻率決定了變壓器的體積，影響著系統效率。電感耦合式無刷勵磁系統的工作頻率多集中在幾十～幾百kHz頻段（見表4），德國的幾所研究單位在追求著更高的工作頻率，分別為160kHz[38]、200kHz[35]和400kHz[37]，相關研究也證明了方案的可行性，為后續該技術的實用化提供了有益參考。

2.3.2 電容耦合式能量傳輸技術

美國威斯康星大學的D.C.Ludois教授則一直致力于推動電容耦合技術在電機領域的應用，所提出的電容耦合式無刷勵磁系統的基本結構如圖7所示。從2011年開始，近10年的持續研究使得D.C.Ludois教授在電容耦合無刷勵磁系統的基本概念[51]、系統結構[52]、功率密度[53]、電磁設計[54]、寄生參數[51-52]和應用技術[55]等方面取得了突出的研究成果。他所領導的課題組系統地研究了圓筒式和平行盤式結構，指出單位體積的平行盤式結構具有較大電容量，是電容耦合式無刷勵磁的首選方案[52]。該小組所報道的三種設計方案見表5，通過結構改進和合理化設計，后期系統的傳輸功率和效率大幅提高。將研究成果應用于一臺峰值功率55kW，額定功率30kW的電勵磁工程樣機，成功地驗證了相關技術的可行性。為了提升容性功率傳輸系統的功率密度，D.C.Ludois教授提出在電容極板之間添加媒質，形成流體薄膜，增大電容密度和運行可靠性[56]。

圖7 耦合電容式無刷勵磁系統

表5 電容耦合式無刷勵磁系統的技術參數

Tab.5 Technical parameter of capacitive coupled brushless excitation system

2.3.3 無線勵磁能量傳輸方式比較

電感耦合的優勢在于：不存在裸露導體，可以保證系統各部分之間電氣絕緣；能量傳遞能力不受塵土、污物等環境因素的影響。與電感耦合相比，電容耦合方案具有以下優勢：絕大多數的電場包含在電容板之間，無需介質屏蔽；無需繞組和磁心，機械結構簡單；電場可以穿透金屬材料，且電磁干擾與損耗較少[57]?？傮w而言，容性耦合能量傳輸方式更適用于小氣隙工況，而感性耦合能量傳輸方式的效率普遍大于容性方式[58-59]。

此外，針對電勵磁電機應用，美國的D.C.Ludois教授對比了電刷集電環、電感耦合和電容耦合等方案的優缺點[52]，三種勵磁方式的比較結果見表6?？梢钥闯?，幾種方式各有優勢，應根據具體應用做出抉擇。就目前的報道而言，美國通用汽車公司的研究人員正嘗試將電感耦合勵磁系統用于乘用車[15]。上述事實證明電感耦合式勵磁能量傳輸技術已接近實用，具有較好的應用前景。D.C.Ludois教授正在將電容耦合技術推向工程樣機驗證，但是設計與控制相關的關鍵技術問題還有待完善，離實際應用仍有一定距離。

表6 三種勵磁方式的比較分析[52]

Tab.6 Comparative analysis of three excitation modes[52]

注：√表示需要或肯定評價，′表示不需要或否定評價，?表示可能性評價。

3 電勵磁電機轉矩密度提升技術

國內外專家學者同時還在致力于電勵磁電機轉矩密度提升技術的研究，主要集中在兩個層面，即磁阻轉矩提升技術和合成轉矩增強技術。

3.1 磁阻轉矩提升技術

電勵磁凸極電機的輸出轉矩由勵磁轉矩和磁阻轉矩組成。輸出轉矩不變，增大磁阻轉矩占比，意味著勵磁轉矩降低，對應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矩密度。磁阻轉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更為明顯，凸極率變大，磁阻轉矩提升。

2005年，丹麥奧爾堡大學的Frede Blaabjerg教授于提出了“雙軸”電勵磁電機的概念，在轉子磁障中放置永磁體，電機的凸極率是4.75[60]。2013年，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的學者提出電勵磁電機轉子磁障設置技術（見圖8a），在轉子極上沿著徑向開槽以增加交軸磁阻，減小交軸電感[61]。2015年，法國巴黎中央理工-高等電力學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矩密度的新方法，給出了圖8b所示的電機轉子改進結構。與傳統的電勵磁凸極電機相比，新結構在轉子側設置了雙條磁障，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%[62]。

圖8 具有磁障的轉子結構

T. A. Lipo教授和韓國漢陽大學的B. Kwon教授領導的課題組均對該問題貢獻了創新性的解決方案，提出了多種磁障設置方法，并對磁障設置規則、設計方法和形狀參數等進行了深入的研究[63-65]。結果表明，對于所研究的電機，當單磁障寬度占轉子極寬約7%時，磁阻轉矩增幅最大。文獻[65]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化設計，最終的凸極率和磁阻轉矩分別提升了9.27%和20.45%。

轉子磁極開設磁障，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，引起勵磁轉矩下降，應該合理平衡磁阻轉矩增大和勵磁轉矩減小的幅度，保證輸出總轉矩最大。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_設磁障帶來的影響）和直軸磁路有效寬度不變（開設磁障的同時增加磁極寬度，保持直軸磁路有效寬度不變，又分為單側設置增量不對稱方案和雙側設置增量對稱方案）的情況，結合單磁障和雙磁障的設置，開展了電磁場有限元計算和分析工作，計算結果如圖9所示。圖9表明，在直軸磁路有效寬度不變的前提下，雙磁障設置帶來的總轉矩提升效果更佳。與無磁障情況相比，總轉矩的最大值增長幅度約13.9%。對應的雙磁障寬度占轉子極寬的8.5%。

圖9 不同方案的總轉矩和磁阻轉矩

3.2 合成轉矩增強技術

電機的輸出轉矩并不等于勵磁轉矩和磁阻轉矩最大值的疊加，而是等于兩者瞬時值之和。因此，僅追求提升磁阻轉矩的最大值并不能很好地滿足要求，還應探索勵磁轉矩和磁阻轉矩最大值出現的時刻，即兩種轉矩曲線軸線之間的位置關系。將電機輸出轉矩最大時對應的磁阻轉矩分量與磁阻轉矩最大值的比值定義為磁阻轉矩利用率，磁偏置技術是一種可以提升磁阻轉矩利用率的技術，其在永磁電機優化設計中已有所應用。圖10定性地描述了轉矩軸線偏移帶來的總轉矩提升機理，其中，角度即為轉矩軸線偏移量。

圖10 磁偏置前后轉矩對比

借鑒上述磁偏置技術，開展電勵磁電機的電磁和拓撲結構設計，可以提升電勵磁電機的合成轉矩。韓國學者針對一臺4極6槽電勵磁電機設計了兩類轉子結構，如圖11所示。一類是在轉子極身設置磁障，并在磁障內設置永磁體[66]；另一類是在轉子極靴間設置永磁體[67]。通過合理地選擇永磁體的充磁方向，兩類結構都能實現磁偏置，使得勵磁轉矩軸線與磁阻轉矩軸線靠近，提高電機的輸出轉矩。另外，還可以借鑒文獻[68]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11 產生轉矩軸線偏移效應的轉子結構

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置，在磁障中添加鐵氧體永磁體，計算得到磁阻轉矩、勵磁轉矩和總轉矩如圖12所示。在磁障內安放永磁體后，永磁體作為勵磁源的同時帶來磁偏置效應，在設置磁障的基礎上，總轉矩進一步提高了約14.5%。

圖12 軸線偏移后三種轉矩曲線

此外，德國、法國、芬蘭學者也在積極探索電勵磁電機的性能提升技術，提出了在轉子側不同位置處安放永磁體構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院的研究人員將少量永磁體放置在轉子極靴端部，電機轉矩提升了3%、效率提高了0.5%[69]。法國里爾中央理工學院的學者提出在轉子極靴上放置永磁體，永磁磁通與電勵磁磁通構成串聯回路，或者在轉子極靴之間放置永磁體，構成并聯磁路[70]。

目前，以功率/轉矩密度提升和合成轉矩增強技術為代表的電勵磁電機性能提升方法受到高度關注。此外，考慮勵磁部分設計的靈活性，并結合增去磁時間要求，開展電樞側與勵磁側的聯合設計與優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、拼裝結構等）等方法和技術應用到電勵磁電機的設計和制造中，將會進一步促進上述目標的實現，同時提升電機系統的兼容性和可靠性。

4 結論

本文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。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。“集成”勵磁機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。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，后續可以在以下方面繼續研究，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。

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Review of the Blushless Excitation and Torque Density Improvement in Wound Field Synchronous Motors

Fu Xinghe1Jiang Zhenglong1Lü Hongfei2Gu Shengdong1Cui Weilong1

（1. School of Electrical Engineering Southeast University Nanjing 210096 China 2. Institute of Electrical Engineering Karlsruhe Institute of Technology Karlsruhe 76131 Germany）

Firstly, the performance differences between permanent magnet synchronous motors and wound field synchronous motors (WFSMs) are analyzed. Meanwhile, the characteristic advantages and existing technical problems of WFSMs are pointed out. Secondly, the evolution process and technical route of brushless excitation of WFSMs is summarized. The research progress and application level of exciter excitation, harmonic excitation, and inductive as well as capacitive wireless power transmission technology in field winding non-contact power supply is clarified. Then, the existing reluctance torque utilization technology, rotor structure improvement technology and torque axis shift technology are summarized. The beneficial effects of the above technologies on the torque improvement of WFSMs are pointed out. Finally, the issues in this field are stated, and the future research focus and technological development direction are predicted.

Wound field synchronous motor, brushless excitation, harmonic excitation, wireless power transmission, torque density

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211599

TM341

付興賀 男，1978年生，博士，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。Email：fuxinghe@seu.edu.cn （通信作者）

江政龍 男，1996年生，碩士，研究方向為電機設計。Email：1197027839@qq.com

國家自然科學基金資助項目（51977035）。

2021-10-09

2021-11-05

（編輯 郭麗軍）