• 头条东南大学专家发表电励磁电机无刷励磁与转矩密度提升的技术综述
    2022-08-06 作者:付兴贺、江政龙 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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    导语东南大学电气工程学院、卡尔斯鲁厄理工学院电气工程研究所的研究人员付兴贺、江政龙、吕鸿飞、顾胜东、崔维龙,在2022年第7期《电工技术学报》上撰文,首先分析永磁同步电机和电励磁同步电机的特性差异,指出电励磁同步电机的优势以及存在的问题。其次,归纳梳理了电励磁同步电机无刷励磁的演变过程和技术路线,阐明励磁机励磁、谐波励磁、感性和容性无线电能传输技术在励磁绕组非接触供电方面的研究进展和应用水平。然后,总结现有磁阻转矩利用技术、转子结构改进技术以及转矩轴线平移技术,指明上述技术对电励磁同步电机转矩提升的有益效果。最后,指出该领域存在的问题,并预测未来研究重点和技术发展方向。

    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。

    2012年,悉尼科技大学的学者David G. Dorrell在第38届工业电子年会上提出疑问:绕线转子电励磁同步电机是否适合高效高转矩密度汽车驱动领域?2015年,国际权威电机专家美国威斯康星大学的T. A. Lipo教授发表了题为“被人们忘却的电励磁同步电机”的文章。2016年,T. A. Lipo教授又在ECCE国际会议上作了题为“电机学科发展评论”的特约报告。

    上述文章和报告指出“传统的电励磁电机正迈进文艺复兴时期”,这一观点引起了学术界和企业界对电励磁电机的关注。从David G. Dorrell教授提出问题到现在过去了近十年时间,电励磁电机相关的研究成果不断涌现,电机各方面的性能在持续提升。

    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。

    由于励磁磁场可调,电励磁电机多一个控制自由度,可以进一步提升功率因数,增大峰值功率,提高运行效率,非满载运行的效果更为明显。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:需要电刷和集电环为励磁绕组供电,紧凑式结构设计难度大;存在励磁损耗,单点运行效率低于永磁电机;输出转矩/功率密度低等。若能解决励磁绕组供电问题,并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。

    东南大学电气工程学院、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与瓶颈问题,归纳了无刷励磁技术和转矩密度提升技术的发展历程和关键问题,指出未来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,但轴向长度长,占用空间大,而且旋转部分的惯量较大,电动运行时电机的动态性能不佳。“集成”励磁机励磁需要改动电机本体结构或驱动器电路拓扑,对电机设计和驱动算法提出新的要求,同时低速工况励磁电压建立困难。电感耦合或电容耦合励磁方式对电机结构改动较少,电机和励磁装置可以分开设计,较容易实现紧凑化、轻量化目标,尤其是电感耦合方式更具发展潜力。

    研究人员表示,依托磁障结构提升凸极比、增大磁阻转矩是一种有效方法。引入永磁体励磁,增加磁势源的同时产生磁偏置效果,可以增强磁阻转矩利用率,进一步提高输出转矩。

    无刷励磁技术、转矩密度提升技术对提高电励磁电机可靠性和高单位电流出力能力,拓展电机的适用性和应用领域发挥了作用,他们认为后续可以在以下方面进行重点研究,完善技术细节,促进技术进步。

    1)以紧凑化和小体积为目标开展励磁装置设计,探索电机端部空间利用、无铁心磁路结构以及高频谐振技术,同时应关注漏感、寄生参数、铜耗、和效率等指标以及高频、低频电磁场的耦合问题。

    2)为构建励磁电流的闭环调节,在保证检测系统简洁性和低成本的前提下,开展励磁电流的非接触、高精度检测或估算工作,并探索励磁电流和电枢电流的协调控制策略。

    3)除了磁场、电场分布特性、电磁参数特性研究以外,还应关注励磁能量供给电路的拓扑结构、补偿网络、调制和控制算法,以提高电感或电容耦合无线励磁能量传输的效率。

    4)综合考虑转矩脉动、THD指标、铜耗、铁耗(尤其是高速区的铁耗)、材料消耗等方面,依托磁障设置和磁偏置技术,结合约束条件开展多目标优化设计工作,提升电机的综合性能。

    5)开展轴向叠片、多层磁障、组合磁障等拓扑方案的研究,实现从集中式磁障向分散式磁障的过渡,并尝试合理化电磁设计、安全性应力校核以及加工制造流程分析等工作。

    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。