无刷电励磁电机(无刷发电机励磁接线图)

东南大学电气工程学院和德国卡尔斯鲁厄理工学院电气工程研究所的研究人员傅星河、江、卢、顾胜东和崔在2022年第7期《电气技术学报》上写道。首先，分析了永磁同步电机和电励磁同步电机的特性差异，指出了电励磁同步电机的优势和存在的问题。其次，总结了电励磁同步电机无刷励磁的演进过程和技术路线，阐述了励磁绕组非接触供电中励磁机励磁、谐波励磁、感性和容性无线输电技术的研究进展和应用水平。然后总结了现有的磁阻转矩利用技术、转子结构改进技术和转矩轴平移技术，指出了上述技术对电励磁同步电机转矩提高的有益作用。最后指出了该领域存在的问题，并对未来的研究热点和技术发展方向进行了预测。

永磁电机具有结构简单、重量轻、效率高的优点，广泛应用于许多领域。然而，作为一种战略资源，稀土材料具有稀缺性和不可再生性，稀土材料的价格在供求关系和国际市场控制的影响下波动，稀土材料的生产过程污染严重。另外，为了满足弱磁提速的要求，注入较大的直轴去磁电流会导致永磁电机绕组铜耗增加，高速时运行效率降低。

鉴于国家的长远战略思路和永磁电机固有的技术难题，成本低、励磁可控、设计方法成熟的电励磁同步电机(以下简称电励磁电机)具有一定的发展潜力和应用优势。

2012年，悉尼科技大学学者大卫·g·多雷尔(David G. Dorrell)在第38届工业电子年会上提出了一个问题:绕线转子电励磁同步电机是否适合高效率、高转矩密度的车辆驱动？2015年，美国威斯康星大学的T. A. Lipo教授发表了一篇名为《被遗忘的电励磁同步电机》的文章。2016年，T. A. Lipo教授在ECCE国际会议上做了题为“电气工程发展回顾”的专题报告。

上述文章和报告指出“传统电励磁电机正在步入复兴”，引起了学术界和企业界对电励磁电机的关注。从戴维·g·多雷尔教授提出问题至今已近十年，电励磁电机的相关研究成果不断涌现，电机的各方面性能不断提高。

由于励磁磁场可调、无功功率双向可控、短路容错性更好、机电暂态特性更快，电励磁电机普遍应用于电力系统发电领域。但随着电动汽车、全电动飞机、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扩大。

由于励磁磁场可调，电励磁电机多了一个控制自由度，可以进一步提高功率因数，增加峰值功率，提高运行效率，非满载运行效果更加明显。在全球轻型车测试法规中，电励磁电机的效率接近永磁电机，高于异步电机。因此，宝马选择了电励磁电机作为第五代电驱动技术，这与其他竞争对手不同。

然而，电励磁电机存在一些不可避免的技术问题:需要电刷和滑环为励磁绕组供电，紧凑结构的设计难度大；存在励磁损耗，单点运行效率低于永磁电机；低输出扭矩/功率密度等。如果能解决励磁绕组的供电问题，提高功率和转矩密度，电励磁电机具有特殊的优势和应用价值。

因此，国内外专家学者正在积极推进电励磁电机的无刷化进程，积极探索励磁绕组非接触式能量传输的新方法，同时通过改进电机拓扑、优化电磁设计等手段，提高电励磁电机的性能，扩大电励磁电机的应用范围。

东南大学电气工程学院和卡尔斯鲁厄理工学院电气工程研究所的研究人员分析了电励磁电机的性能优势和瓶颈，总结了无刷励磁技术和转矩密度增强技术的发展历程和关键问题，指出了未来的研究重点和技术发展方向。

他们认为励磁机励磁发展较早，技术成熟，但其轴向长度长，占用空间大空，转动部分惯性大，电动运行时电机动态性能不好。“一体化”励磁机励磁需要改变电机本体结构或驱动电路拓扑，这对电机设计和驱动算法提出了新的要求。同时，在低速时难以建立励磁电压。电感耦合或电容耦合励磁对电机结构的改动较小，电机和励磁装置可以分开设计，更容易实现紧凑、轻量化的目标，尤其是电感耦合更有发展潜力。

研究人员表示，借助磁障结构提高凸极比和磁阻转矩是一种有效的方法。引入永磁励磁，增加磁势源，产生偏磁效应，可以增强磁阻转矩的利用率，进一步提高输出转矩。

无刷励磁技术和转矩密度增强技术在提高电励磁电机的可靠性和高单位电流输出能力，扩大电机的适用性和应用领域方面发挥了作用。他们认为可以从以下几个方面跟进重点研究，完善技术细节，推动技术进步。

1)以紧凑、小体积为目标设计励磁装置，探索电机端空之间的利用，无铁芯磁路结构和高频谐振技术，注意漏感、寄生参数、铜耗、效率等指标，以及高频和低频电磁场的耦合。

2)为构建励磁电流闭环调节，在保证检测系统简单、低成本的前提下，对励磁电流进行非接触、高精度的检测或估计，探索励磁电流和电枢电流的协调控制策略。

3)除了研究磁场、电场分布特性和电磁参数特性外，还应关注激励供能电路的拓扑结构、补偿网络、调制和控制算法，以提高电感或电容耦合无线激励能量传输的效率。

4)综合考虑转矩脉动、THD指标、铜耗、铁耗(尤其是高速区)、材料消耗等。，依托磁障设置和偏磁技术，结合约束条件进行多目标优化设计，提高电机的综合性能。

5)开展轴向叠片、多层磁障、组合磁障等拓扑方案的研究，实现集中式磁障向分散式磁障的过渡，努力使电磁设计、安全应力校核、制造工艺分析合理化。

本文编译自《电工技术学报》2022年第7期。第一作者和通讯作者为傅星河，1978年出生，博士，东南大学电气工程学院副教授。他的研究方向是高温特种电机及其控制和伺服系统的多源异构扰动抑制。本项目得到了国家自然科学基金的资助。

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同步发电机励磁系统的基本理论和设计

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