如何获得永磁同步电机期望的转矩（东大学者撰文分析电励磁电机转矩密度提升技术的新进展）

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。

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。

目前，国内外专家学者在电励磁电机转矩密度提升技术方面的研究，主要集中在两个层面，即磁阻转矩提升技术和合成转矩增强技术。

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电励磁凸极电机的输出转矩由励磁转矩和磁阻转矩组成。输出转矩不变，增大磁阻转矩占比，意味着励磁转矩降低，对应的励磁电流和励磁损耗同时减小，有助于提升电机效率和转矩密度。磁阻转矩近似正比于电机交直轴电感之差，电机交直轴电感之差增大，意味着电机的凸极效应更为明显，凸极率变大，磁阻转矩提升。

2005年，丹麦奥尔堡大学的Frede Blaabjerg教授于提出了“双轴”电励磁电机的概念，在转子磁障中放置永磁体，电机的凸极率是4.75。2013年，瑞士苏黎世联邦理工学院的学者提出电励磁电机转子磁障设置技术（见图1a），在转子极上沿着径向开槽以增加交轴磁阻，减小交轴电感。

2015年，法国巴黎中央理工-高等电力学院的研究人员提出在不增加额外励磁源的情况下提升电励磁凸极电机转矩密度的新方法，给出了图1b所示的电机转子改进结构。与传统的电励磁凸极电机相比，新结构在转子侧设置了双条磁障，增加了交轴磁路的磁阻，而对直轴磁路影响不大，因此电机的凸极率提升了约30%。

图1 具有磁障的转子结构

T. A. Lipo教授和韩国汉阳大学的B. Kwon教授领导的课题组均对该问题贡献了创新性的解决方案，提出了多种磁障设置方法，并对磁障设置规则、设计方法和形状参数等进行了深入的研究。结果表明，对于所研究的电机，当单磁障宽度占转子极宽约7%时，磁阻转矩增幅最大。有学者则利用Kriging法对一台4极6槽带有磁障的电励磁电机开展优化设计，最终的凸极率和磁阻转矩分别提升了9.27%和20.45%。

转子磁极开设磁障，除了能够增大凸极率之外，会降低原有直轴磁路的宽度，加剧直轴磁路饱和，引起励磁转矩下降，应该合理平衡磁阻转矩增大和励磁转矩减小的幅度，保证输出总转矩最大。因此，作者针对一台4极36槽2kW电励磁凸极电机，考虑直轴磁路宽度减小（开设磁障带来的影响）和直轴磁路有效宽度不变（开设磁障的同时增加磁极宽度，保持直轴磁路有效宽度不变，又分为单侧设置增量不对称方案和双侧设置增量对称方案）的情况，结合单磁障和双磁障的设置，开展了电磁场有限元计算和分析工作，计算结果如图2所示。

图2表明，在直轴磁路有效宽度不变的前提下，双磁障设置带来的总转矩提升效果更佳。与无磁障情况相比，总转矩的最大值增长幅度约为13.9%。对应的双磁障宽度占转子极宽的8.5%。

图2 不同方案的总转矩和磁阻转矩

电机的输出转矩并不等于励磁转矩和磁阻转矩最大值的叠加，而是等于两者瞬时值之和。因此，仅追求提升磁阻转矩的最大值并不能很好地满足要求，还应探索励磁转矩和磁阻转矩最大值出现的时刻，即两种转矩曲线轴线之间的位置关系。

将电机输出转矩最大时对应的磁阻转矩分量与磁阻转矩最大值的比值定义为磁阻转矩利用率，磁偏置技术是一种可以提升磁阻转矩利用率的技术，其在永磁电机优化设计中已有所应用。图3定性地描述了转矩轴线偏移带来的总转矩提升机理，其中，角度δ即为转矩轴线偏移量。

图3 磁偏置前后转矩对比

借鉴上述磁偏置技术，开展电励磁电机的电磁和拓扑结构设计，可以提升电励磁电机的合成转矩。韩国学者针对一台4极6槽电励磁电机设计了两类转子结构，如图4所示。一类是在转子极身设置磁障，并在磁障内设置永磁体；另一类是在转子极靴间设置永磁体。通过合理地选择永磁体的充磁方向，两类结构都能实现磁偏置，使得励磁转矩轴线与磁阻转矩轴线靠近，提高电机的输出转矩。另外，还可以借鉴有关文献提出的励磁绕组配置方案，用电励磁取代永磁形成“双轴”励磁的效果，提升电机运行特性。

图4产生转矩轴线偏移效应的转子结构

针对前述4极36槽2kW电励磁凸极电机，作者对直轴磁路有效宽度不变（对称增量）双磁障模型进行了磁偏置设置，在磁障中添加铁氧体永磁体，计算得到磁阻转矩、励磁转矩和总转矩如图5所示。在磁障内安放永磁体后，永磁体作为励磁源的同时带来磁偏置效应，在设置磁障的基础上，总转矩进一步提高了约14.5%。

图5 轴线偏移后三种转矩曲线

此外，德国、法国、芬兰学者也在积极探索电励磁电机的性能提升技术，提出了在转子侧不同位置处安放永磁体构成以电励磁为主的混合励磁电机，进一步增强电机的主磁场。德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员将少量永磁体放置在转子极靴端部，电机转矩提升了3%、效率提高了0.5%。法国里尔中央理工学院的学者提出在转子极靴上放置永磁体，永磁磁通与电励磁磁通构成串联回路，或者在转子极靴之间放置永磁体，构成并联磁路。

目前，以功率/转矩密度提升和合成转矩增强技术为代表的电励磁电机性能提升方法受到高度关注。此外，考虑励磁部分设计的灵活性，并结合增去磁时间要求，开展电枢侧与励磁侧的联合设计与优化工作同样具有重要意义，势必会促进电励磁电机向紧凑化、轻量化方向发展。

同时，将新材料（高性能硅钢）、新拓扑（电机与电路拓扑）、新工艺（扁线绕组、拼装结构等）等方法和技术应用到电励磁电机的设计和制造中，将会进一步促进上述目标的实现，同时提升电机系统的兼容性和可靠性。

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。