无刷电机铁芯(科研简报：东大学者撰文分析电励磁电机无刷励磁技术的最新进展)

Posted 2023-05-28

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无刷电机铁芯(科研简报：东大学者撰文分析电励磁电机无刷励磁技术的最新进展)

永磁电机具有结构简单、质量轻、效率高等优点，在诸多领域有着广泛应用。但是，稀土材料作为战略资源具有稀缺性和不可再生性，稀土材料价格受供求关系及国际市场管控影响具有波动性，稀土材料生产过程具有高污染性。

另外，为满足弱磁升速要求而注入较大的直轴去磁电流将导致永磁电机的绕组铜耗增加，高速区的运行效率降低。鉴于国家的长远战略思维和永磁电机固有的技术问题，成本低、励磁可控以及设计方法成熟的电励磁同步电机（以下简称电励磁电机）具备一定的发展潜力和应用优势。

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由于励磁磁场可调、无功功率双向可控，以及较好的短路故障承受能力、较快的机电暂态特性，电励磁电机常用于电力系统的发电领域。但是，随着电动汽车、全电飞机、电气化轨道交通的提出和发展，电励磁电机的应用领域有望进一步拓展。在全球轻型车测试规程中，电励磁电机的效率接近永磁电机、高于异步电机。因此，宝马公司独树一帜地选择了电励磁电机作为第五代电驱技术，走出了有别于其他竞争厂商的技术路线。

但是，电励磁电机也存在一些无法回避的技术问题。因此，国内外专家、学者都在积极推进电励磁电机无刷化进程，积极探索励磁绕组非接触能量传输新方法，同时通过改进电机拓扑结构、优化电磁设计等手段提升电励磁电机性能，扩大电励磁电机的应用范围。

1950年，国外学者克莱伦斯提出了无刷励磁方法，后来世界各个国家陆续从电机本体结构和励磁电源供给方式两方面给出了新措施和新方案。目前，主流的无刷励磁方法包括励磁机方案、“集成”励磁机方案和无线能量传输方案。针对每种方案，考虑辅助电源的能量产生原理、来源的不同，整流电路拓扑结构的差异及电源与电路的组合变化，可衍生出更为详细的配置，具体如图1所示。

图1 电励磁电机励磁绕组供电方式

1 励磁机式励磁系统

励磁机式无刷励磁技术实际上是将一台旋转电枢式发电机作为主电机的励磁机，此时主电机的定转子结构保持不变，励磁机的转子三相绕组输出的交流电经整流后直接接入主机转子的励磁绕组，励磁机的励磁磁场建立方法有多种，如图2所示。

依托直流励磁绕组，直流电源可来自于主电机输出端旁路后经整流变换的输出、独立的直流电源、独立交流电源整流变换的输出、副励磁机电枢绕组变换输出；也可用永磁体代替励磁机定子侧的励磁绕组；或者基于感应电机原理，利用两相或三相绕组建立励磁磁场；甚至考虑直流电源的间歇性、不稳定性以及容量等因素，构建辅助直流电源与永磁体共用、旁路直流电源与永磁体共用、旁路直流电源与副励磁机共用等励磁方案。励磁机的电枢绕组可以是三相交流绕组，也可以是双三相星形绕组。

图2 励磁机式励磁磁场建立方法

2 “集成”励磁机式励磁系统

将励磁机与主机合并，共用一套定转子铁心，从而衍生出“集成”励磁机的励磁方案。当励磁电源的工作频率非系统的基波频率时，又称为谐波励磁方案，而且以该方案居多。对于谐波励磁而言，电机结构已与传统的电励磁电机有所区别。谐波励磁方式要求电机中存在一套额外的谐波绕组，用以捕获气隙磁场中的谐波磁场能量，从而构建出励磁电源。根据谐波绕组配置及谐波磁场来源的不同，目前文献报道的谐波励磁方式如图3所示。

图3 “集成”励磁机式励磁方法分类

谐波励磁的研究重点在于谐波磁场的生成方式。在定子侧设置谐波绕组，利用主机固有的谐波磁场，谐波绕组中被动地感应出交流电动势。这种方式年代久远，可控性较差，需要电刷、集电环。在转子侧设置谐波绕组，可以在转轴上安装整流装置，实现无刷励磁，是“集成”励磁式励磁系统的发展方向，“集成”励磁机式无刷励磁方案可能的系统构成如图4所示。

图4 “集成”励磁机式无刷励磁方案

2.1 转子单相谐波绕组

早期，谐波励磁技术主要利用3次谐波，后来通过与电机本体结构、控制方式结合诞生出众多谐波利用技术，相关成果体现出一定创新和巧妙。

美国T. A. Lipo教授与韩国汉阳大学的研究人员合作，所提出的励磁方案采用4极三相电枢绕组和12极谐波绕组，利用单台逆变器为电枢绕组供电，定子三相绕组每一相并联一组开关管。在电枢电流正负半周接近过零点处开关管短时接通，在电枢绕组中产生零序电流。随着开关的连续开断运行，在电枢绕组中产生3次谐波电流，再由3次谐波磁场在转子侧谐波绕组中产生感应电压。该方案无需利用额外绕组和逆变器向电枢绕组中注入谐波，只利用了电枢磁动势的3次谐波。

哈尔滨工业大学的学者给出了定子侧同时放置4极三相电枢绕组和6极单相谐波产生绕组，转子侧放置6极谐波感应绕组和4极励磁绕组的设计方案，该方案可以充分利用3次谐波，且具有谐波磁场独立控制、磁场建立容易的特点。该方案需要在定子侧增设辅助绕组，并向其中注入谐波电流，增加了电机定子和逆变器的复杂性。

因此，针对开绕组和半开绕组电机，中韩学者又提出了同时利用定转子3次谐波合成磁场的新方法。该方法的优点在于3次谐波与基波解耦，因此电机励磁磁场可以不依赖负载电流而独立控制。但这种方法要求两套逆变器同时运行、协调控制，且逆变器容量要求高，系统造价昂贵，而且初始磁场建立困难。

2.2 转子三相或多相谐波绕组

2018年，印度理工学院学者研究了基于感应电机原理的无刷励磁系统。与前述谐波励磁方法相比，该方案的特征在于转子侧采用了三相谐波感应绕组。因此，该方案与传统励磁机励磁方案更为接近，相当于同步电机和感应电机同轴连接。为了避免磁场耦合，两部分的极对数不同。有学者分别给出了同步电机和异步电机2/6极组合和4/6极组合的设计方案。感应电机工作在自励模式或零功率模式，即不需要外部电源提供有功功率。通过控制感应电机定子侧的电流，实现同步电机的励磁调节。

前述部分方法存在基波磁动势和谐波磁动势的耦合，在低速阶段很难实现电枢主磁场和谐波磁场的独立控制，因为低速时谐波绕组中感应出的电压较低，转子励磁磁场建立较难。

为了在零速或低速获得较大转矩，慕尼黑联邦国防大学提出在电机定子侧采用新型多相分数槽非对称集中绕组，每槽线圈单独与DC-AC模块连接，这种连接方式可以产生频率和幅值可控的多样化的磁动势。转子侧放置两套绕组（谐波绕组-感生电动势，励磁绕组-建立励磁磁场）和多相整流装置。

上述配置具有较大的灵活性，通过控制方式的组合实现极对数可控、谐波磁场频谱可调。最终，形成了零速、低速和高速下分别利用谐波电流（主动构建）、谐波电流和电枢绕组磁动势谐波、磁动势谐波建立励磁磁场的三种模式，实现了零速和低速下电机输出转矩的提升。

2.3 电机空间谐波利用技术

上述方法可以视为通过控制注入电机绕组的电流形成不同的谐波频谱和谐波含量，从而在转子谐波绕组中收集谐波能量。除此之外，还有学者提出从电机本体结构入手，构建谐波磁场，从而避免电路拓扑改造和成本增加。

典型的方法包括日本学者提出的转子双极式结构，即转子包括I极（放置谐波绕组，收集谐波能量）和E极（放置励磁绕组，建立励磁磁场）。而且，通过调整I极的参数，可以改变收集谐波的频次。但是这种依靠特殊结构建立的谐波磁场能量较低，尤其是在低速情况下，电机的转矩密度低于内置式永磁同步电机（Inner-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM）。此时，还需通过控制器注入时间谐波，以增强谐波磁场的能量。

针对5.4MVA的大功率电励磁电机，美国ABB公司的研究人员提出利用气隙磁场的19次齿槽谐波感应出励磁电势，走出了一条与众不同的技术路线。有学者给出了齿槽谐波利用的基本原理、电机设计方法以及仿真和实验结果，证明该方法具有潜在应用优势和市场前景。

为去除产生的谐波绕组，德国慕尼黑联邦国防大学的学者充分利用电机的极槽配合，构建了10极18槽的新概念电励磁电机，该电机以5次谐波磁场为工作磁场，利用13次谐波建立谐波磁场，为转子谐波感应绕组提供励磁磁场。

综上所述，目前主要的谐波利用方法及其区别见表1。

表1 典型谐波励磁方案比较

3 无线能量传输式励磁系统

无线能量传输式励磁系统分别在电机定子侧和转子侧安装能量发送和接收装置，以电场或磁场为媒介将能量从定子侧传送到转子侧。图1c展示了在电机转轴一端放置一套具有旋转和固定线圈或极板的电能变换装置的基本结构，主要包括电感耦合和电容耦合两种能量传输技术。

3.1 电感耦合式能量传输技术

2018年，美国橡树岭国家实验室和通用汽车公司将该技术应用于牵引电机，成功突破了电刷集电环的束缚。图5给出了电感耦合式无刷励磁系统的基本结构。

目前，世界主要发达国家、甚至发展中国家都在积极开展电感耦合式电励磁电机转子无线电能传输技术的研究，包括美国、德国、日本、瑞典，法国、罗马尼亚、斯洛文尼亚等，其中德国的研究投入最大，汉诺威大学、斯图加特大学、宇航中心、纽伦堡应用技术大学、汉诺威电驱系统研发中心、BMW公司、Continental集团、Mahle集团都陆续报道了最新的研究成果。

国内的哈尔滨理工大学、东南大学也开展了相关研究，尤其东南大学探索了无铁心磁耦合谐振式能量传输技术，获取了大气隙下能量传输特性，为电感耦合式能量传输技术在高速电励磁电机中的应用奠定了基础。表2对部分文献提及的研究成果进行了总结，并概括出它们的关键特征和技术差异，有学者还给出了其他的技术方案。

图5 电感耦合式无刷励磁系统

电感耦合式能量传输技术具有结构紧凑、配置灵活的特点，该技术所依托的旋转变压器可以采用轴向结构、径向结构或盘式结构。变压器铁心主要以铁氧体为主，绕组多由铜箔或利兹线绕制而成，从而减小绕组的高频损耗。

表2电感耦合式无刷励磁系统的技术参数

由于铁氧体材料具有易碎性，德国莱布尼兹-汉诺威大学的学者提出将电工钢材料作为旋转变压器的磁心，探讨了结构改进方法和性能提升效果，并在相关文献中对比了铁氧体、电工钢以及软磁复合（Soft Magnetic Composite, SMC）材料的优缺点。

除了结构以外，旋转变压器的电磁设计、特性分析和数学建模等内容对能量传输特性有重要影响。德国学者建立了变压器的等效电路模型和损耗计算模型，探讨了不同频率下的损耗特性，有助于全面理解和认识电感耦合式能量传输系统的机理和特性，为系统优化设计奠定了基础。

电感耦合式无线电能传输技术需要利用逆变器和整流器对电能进行交直流转换，变换器的拓扑结构直接决定了系统能量的传输效率。有源桥式逆变电路输出电流近似方波或梯形波，谐波含量高，绕组损耗大。串联谐振技术可改善电流波形使之更接近正弦波，降低绕组损耗，提高变换器效率。

2016年，美国学者Gary William申请了专利，提出利用电容与电感谐振的电能变换拓扑，并指出在同容量的电机中，该方案的总体尺寸与质量明显减小。东南大学谭林林教授在有关文献中介绍了磁耦合谐振式无刷励磁机构的工作原理，并设计了几种不同的谐振器，开展了实验研究，验证了相关方案的可行性。

交-直-交变换器中往往设置有大电容滤波环节，大容量滤波电容器占用较大的安装空间, 导致变换器体积增大。T. A. Lipo教授设计了一种基于单相矩阵变换器的电感耦合式无刷励磁系统，AC-AC拓扑结构无需大容量滤波电容，体积小，结构简单，尤其在中频运行时效率较高。逆变电路的工作频率决定了变压器的体积，影响着系统的效率。

电感耦合式无刷励磁系统的工作频率多集中在几十~几百kHz频段（见表3），德国的几所研究单位在追求着更高的工作频率，分别为160kHz、200kHz和400kHz，相关研究也证明了方案的可行性，为后续该技术的实用化提供了有益参考。

表3电容耦合式无刷励磁系统的技术参数

3.2 电容耦合式能量传输技术

美国威斯康星大学的D.C.Ludois教授则一直致力于推动电容耦合技术在电机领域的应用，所提出的电容耦合式无刷励磁系统的基本结构如图6所示。

图6 耦合电容式无刷励磁系统

从2011年开始，近10年的持续研究使得D.C.Ludois教授在电容耦合无刷励磁系统的基本概念、系统结构、功率密度、电磁设计、寄生参数和应用技术等方面取得了突出的研究成果。他所领导的课题组系统地研究了圆筒式和平行盘式结构，指出单位体积的平行盘式结构具有较大电容量，是电容耦合式无刷励磁的首选方案。

该小组所报道的三种设计方案见表4，通过结构改进和合理化设计，后期系统的传输功率和效率大幅提高。将研究成果应用于一台峰值功率55kW，额定功率30kW的电励磁工程样机，成功地验证了相关技术的可行性。为了提升容性功率传输系统的功率密度，D.C.Ludois教授提出在电容极板之间添加媒质，形成流体薄膜，增大电容密度和运行可靠性。

表4 三种励磁方式的比较分析

3.3 无线励磁能量传输方式比较

电感耦合的优势在于：不存在裸露导体，可以保证系统各部分之间电气绝缘；能量传递能力不受尘土、污物等环境因素的影响。与电感耦合相比，电容耦合方案具有以下优势：绝大多数的电场包含在电容板之间，无需介质屏蔽；无需绕组和磁心，机械结构简单；电场可以穿透金属材料，且电磁干扰与损耗较少。总体而言，容性耦合能量传输方式更适用于小气隙工况，而感性耦合能量传输方式的效率普遍大于容性方式。

此外，针对电励磁电机应用，美国的D.C.Ludois教授对比了电刷集电环、电感耦合和电容耦合等方案的优缺点，三种励磁方式的比较结果见表4。可以看出，几种方式各有优势，应根据具体应用做出抉择。

就目前的报道而言，美国通用汽车公司的研究人员正尝试将电感耦合励磁系统用于乘用车。上述事实证明电感耦合式励磁能量传输技术已接近实用，具有较好的应用前景。D.C.Ludois教授正在将电容耦合技术推向工程样机验证，但是设计与控制相关的关键技术问题还有待完善，离实际应用仍有一定距离。

本文编自2022年第7期《电工技术学报》，第一作者和通讯作者为付兴贺，1978年生，博士，东南大学电气工程学院副教授，研究方向为高温特种电机及其控制、伺服系统多源异构扰动抑制。本课题得到了国家自然科学基金的资助。