永磁電機具有結構簡單、質量輕、效率高等優點，在諸多領域有着廣泛應用。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，稀土材料生産過程具有高污染性。

另外，為滿足弱磁升速要求而注入較大的直軸去磁電流将導緻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。

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、較快的機電暫态特性，電勵磁電機常用于電力系統的發電領域。但是，随着電動汽車、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。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，走出了有别于其他競争廠商的技術路線。

但是，電勵磁電機也存在一些無法回避的技術問題。因此，國内外專家、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範圍。

目前，國内外專家學者在電勵磁電機轉矩密度提升技術方面的研究，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。

放射狀光線和網格，三維抽象幾何空間，藍色科技主題背景

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，意味着勵磁轉矩降低，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，意味着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。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1a），在轉子極上沿着徑向開槽以增加交軸磁阻，減小交軸電感。

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1b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%。

圖1 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。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。有學者則利用Kriging法對一台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别提升了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，作者針對一台4極36槽2kW電勵磁凸極電機，考慮直軸磁路寬度減小（開設磁障帶來的影響）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為13.9%。對應的雙磁障寬度占轉子極寬的8.5%。

圖2 不同方案的總轉矩和磁阻轉矩

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。

将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3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δ即為轉矩軸線偏移量。

圖3 磁偏置前後轉矩對比

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。韓國學者針對一台4極6槽電勵磁電機設計了兩類轉子結構，如圖4所示。一類是在轉子極身設置磁障，并在磁障内設置永磁體；另一類是在轉子極靴間設置永磁體。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，還可以借鑒有關文獻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4産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5所示。在磁障内安放永磁體後，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5 軸線偏移後三種轉矩曲線

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将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%。法國裡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。

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，将新材料（高性能矽鋼）、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，将會進一步促進上述目标的實現，同時提升電機系統的兼容性和可靠性。

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。