永磁記憶輪轂電機(jī)的研究進(jìn)展

電傳動技術(shù)中，輪轂電機(jī)作為電動車輛動力核心的關(guān)鍵，其發(fā)展備受關(guān)注。隨著新材料和加工工藝的進(jìn)步，記憶電機(jī)成為突破傳統(tǒng)輪轂電機(jī)瓶頸的新方向，通過調(diào)磁技術(shù)提升電機(jī)性能，但仍存在挑戰(zhàn)。本文綜述了永磁輪轂電機(jī)技術(shù)的最新進(jìn)展。

電傳動技術(shù)是車輛實(shí)現(xiàn)全電化的重要基礎(chǔ)，電驅(qū)動系統(tǒng)是電動車輛的動力核心，而輪轂電驅(qū)系統(tǒng)是電驅(qū)動系統(tǒng)的終極驅(qū)動形式，輪轂電機(jī)的性能在輪轂電驅(qū)系統(tǒng)中具有決定性作用。隨著電機(jī)領(lǐng)域新原理、新材料和電機(jī)加工工藝的不斷發(fā)展，越來越多的新型電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和新工藝被提出和應(yīng)用，有利于突破傳統(tǒng)輪轂電機(jī)的部分瓶頸問題。

輪轂電機(jī)既需要低速大轉(zhuǎn)矩，又需要高速高功率，這兩個指標(biāo)相互矛盾，很難同時滿足。永磁記憶電機(jī)利用高剩磁低矯頑力永磁材料的不可逆退磁的特性，通過調(diào)節(jié)d軸電流脈沖控制永磁的剩磁，實(shí)現(xiàn)在線對永磁體進(jìn)行調(diào)磁。輪轂電機(jī)在全速域內(nèi)，根據(jù)不同轉(zhuǎn)速對永磁體實(shí)施不同程度的磁化，從而整體提高電機(jī)運(yùn)行性能。

目前，現(xiàn)存的記憶電機(jī)作為輪轂電機(jī)使用仍存在一些問題：轉(zhuǎn)矩密度很難達(dá)到釹鐵硼稀土永磁電機(jī)的水平；輪轂電機(jī)要求具有較高的過載能力，如果磁路設(shè)計不合理時容易出現(xiàn)退磁的風(fēng)險；在線調(diào)磁控制，引入了勵磁損耗，增加了電機(jī)的溫升，且下降了系統(tǒng)效率。

記憶電機(jī)大體可以分為兩類：交流脈沖調(diào)磁型永磁電機(jī)，電機(jī)定子繞組同時兼具驅(qū)動和控制兩種功能，基于矢量控制方式調(diào)節(jié)永磁體剩磁；直流脈沖調(diào)磁型永磁電機(jī)，電機(jī)有兩套繞組分別為驅(qū)動繞組和調(diào)磁繞組，其通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小和方向?qū)τ来朋w的磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)，目前研究主要集中在雙凸極電機(jī)上。

交流脈沖調(diào)磁型記憶電機(jī)主要有單一永磁型和混合永磁型電機(jī)兩種。加拿大康考迪亞大學(xué)M. Ibrahim等提出了一種新型的含鋁鎳鈷磁體的變磁通電機(jī)，該電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以具有聚磁功能的切向充磁永磁電機(jī)為基礎(chǔ)，通過在轉(zhuǎn)子上采用沿d軸方向加入磁障下降q軸電流引起的鐵心磁場飽和提高控制電樞d軸電流脈沖調(diào)節(jié)永磁體剩磁的能力的技術(shù)手段，并結(jié)合具有高剩磁低矯頑力的永磁體，使其具有與稀土永磁同步電機(jī)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩密度和在較寬的速度范圍內(nèi)都具有較高的運(yùn)行效率。

英國謝菲爾德大學(xué)諸自強(qiáng)等提出了一種新型的永磁記憶電機(jī)，該電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路由釤鈷永磁體和釹鐵硼永磁體串聯(lián)而成，其轉(zhuǎn)矩密度可以達(dá)到80 kN·m/m3。圖1所示為該電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路采用高矯頑力的釹鐵硼和低矯頑力的釤鈷永磁體交替排布的方式。該電機(jī)利用磁阻轉(zhuǎn)矩獲得高的轉(zhuǎn)矩密度，同時利用永磁體的退磁特性，并結(jié)合定子d軸電流對電機(jī)磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得電機(jī)在不同的工作點(diǎn)都可以獲得較高的效率。

圖1 徑向串聯(lián)混合永磁電機(jī)

直流脈沖調(diào)磁型記憶電機(jī)主要的研究方向是雙凸極記憶電機(jī)，該電機(jī)根據(jù)勵磁方式也可以分為單一永磁型和混合永磁型電機(jī)。香港大學(xué)的鄒國棠團(tuán)隊(duì)基于記憶電機(jī)和雙凸極電機(jī)的原理提出了單一勵磁型雙凸極記憶電機(jī)（PM DSMM），結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單一勵磁型雙凸極記憶電機(jī)

電機(jī)轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為實(shí)心凸極外轉(zhuǎn)子，適合實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行且容易與減速器集成設(shè)計。電機(jī)定子電樞采用五相繞組分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)，下降電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，削弱反電動勢中的高次諧波，提高電機(jī)容錯性能。電機(jī)采用單獨(dú)的勵磁繞組，同時永磁體在定子上，提高了電機(jī)的調(diào)磁效率，并且下降了電機(jī)控制的復(fù)雜程度，減少了調(diào)磁時的功率損耗。該團(tuán)隊(duì)研制了一款樣機(jī)，電機(jī)主要參數(shù)見表1，電機(jī)弱磁倍數(shù)可以達(dá)到4，大幅提高了永磁電機(jī)的弱磁能力。

表1 電機(jī)主要參數(shù)

有文獻(xiàn)提出了一種基于NdFeB和AlNiCo的混合勵磁雙凸極記憶電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖3所示，由NdFeB提供主要?dú)庀洞磐?，AlNiCo負(fù)責(zé)輔助調(diào)磁的作用。研制了一臺樣機(jī)，額定功率1.2 kW，轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍0～4000 r/min，當(dāng)處于起動階段繞組電流不變的情況下，通過給AlNiCo增磁，輸出轉(zhuǎn)矩提升了50%。

圖3 混合勵磁型雙凸極記憶電機(jī)

本文摘編自《電工技術(shù)學(xué)報》，原文標(biāo)題為“永磁輪轂電機(jī)技術(shù)發(fā)展綜述”。