【原創】電動汽車無線勵磁同步電機的前瞻研究

耦合電感式無線勵磁裝置的原理相對簡潔，易于實現。在理論研究層面，研究重點聚焦于耦合變壓器的多元化參數設計，涵蓋傳輸距離、鐵心結構及其材料選擇、繞組構造與選型，以及耦合系數的優化等。對于車載同步電機，若其轉速范圍較寬，為確保穩定運行，必須考量轉速對耦合變壓器傳輸效率的潛在影響。實驗室仿真結果顯示，盡管從靜止狀態過渡到旋轉狀態時，耦合變壓器的激磁電感會有輕微下降，但一旦進入穩定旋轉狀態，其激磁電感與耦合系數則基本保持恒定，不隨轉速變化而顯著波動。這一現象的根源在于，漏磁主要穿越氣隙傳播，其路徑與旋轉狀態基本無關。

傳輸距離是影響耦合變壓器傳遞效率的關鍵因素。一般而言，傳輸距離越短，耦合系數越高，從而裝置的傳遞效率也越高。然而，過短的傳輸距離對加工精度要求極高，并可能危及裝置的安全運行。對于勵磁功率不超過5kW的電機，其傳輸距離大多控制在2mm以內；而對于勵磁功率超過10kW的電機，耦合變壓器的傳輸距離則可能增加至10-20mm。耦合變壓器常采用罐式鐵心結構，該結構不僅電磁兼容性好，還具備正對面積大、漏感與分布電容小的優點，有利于制作、安裝，且材料成本相對較低。但罐式鐵心結構在提升傳遞效率方面存在局限，特別是在高頻運行時，鐵心損耗難以有效控制。為克服這一難題，研究人員創新性地結合了U字型錳鋅軟磁鐵氧體與利茲線，設計出了一款傳輸功率達1070W、傳輸效率高達91.3%的旋轉變壓器。

針對耦合變壓器的鐵心材料選擇，當前多數研究機構傾向于采用軟磁鐵氧體作為研究基準。通過對比軟磁鐵氧體與納米晶合金這兩種鐵心材料對耦合變壓器傳輸特性的影響，研究發現，采用納米晶合金材料制造的耦合變壓器，其傳輸效率相較于軟磁鐵氧體材料高出約兩個百分點。然而，納米晶合金材料通常呈現為薄且脆的帶材形態，加工成罐式結構存在難度，因此需針對其特性重新設計變壓器結構。在軸向耦合變壓器的設計中，繞組布局受限于只能采用左右結構；相比之下，徑向耦合變壓器的繞組設計則更為靈活，既可選擇左右結構，也可采用上下結構。

在小功率應用中，PCB繞組因其制作簡便、占用空間小且能輕易與整流裝置集成于同一塊PCB板上而廣受歡迎。然而，這種繞組主要適用于軸向耦合變壓器結構。對于大功率需求，鑒于耦合變壓器在高頻下的工作特性，為有效抑制趨膚效應與鄰近效應引起的交流銅耗，常采用多股并繞的利茲線。同時，為最大化空間利用率、確保高槽滿率并提升傳輸功率，較小尺寸的扁銅線或銅箔導體也是優選方案。就功率等級而言，目前已知的耦合電感式技術已實現的最大傳輸功率達到了10.7kW。相較于傳統的旋轉變壓器，這款變壓器憑借其創新的定子－轉子－定子的三層軸向結構設計，顯著增強了傳輸能力，如圖所展示。

此外，研究人員還成功研發了一款最大設計傳輸功率為5kW的無線勵磁裝置，實際測試中，該裝置達到了約3675W的傳輸功率，并驅動電機實現了高達6500轉/分鐘的轉速。????

為進一步優化系統，研究人員還探索了新型控制策略，旨在減少因引入無線勵磁裝置而增加的額外硬件設施需求。其中一項創新舉措是利用電壓源現有的開關諧波直接激勵勵磁裝置的發送端，從而省去了額外的供電電源，實現了系統的精簡與高效。馬勒公司與采埃孚公司相繼將無線勵磁同步電機創新性地應用于電動汽車的主驅系統中。馬勒電機采用了獨特的軸向結構設計，為了優化電磁兼容性，其二次側繞組被精心布置在遠離電機核心的一端，而勵磁電流則巧妙地通過電機軸流向整流裝置。相比之下，采埃孚電機則選用了徑向結構。

目前，耦合電感式無線勵磁裝置的研究已漸趨成熟，其實現成本相對較低，并已成功實現量產。市場上現有的無線勵磁同步電機大多采用此技術。然而，耦合電感式在提升低功率下的傳輸效率方面仍面臨挑戰，且其傳輸效率對傳輸距離的變化高度敏感。此外，該裝置對定位精度有嚴格要求，需確保一、二次側線圈中心精確對齊。再者，鐵心的使用顯著增加了裝置的整體重量，這對于勵磁裝置在旋轉狀態下的運行構成了不利影響。

耦合電容式，亦稱電場耦合式，其核心部件為平行板電容器，用于構建電場。然而，當電場強度增強至特定水平，易引發空氣放電現象，因此該方式更適宜于小功率應用場景。當前研究聚焦于如何提升其傳輸功率。目前，耦合電容式無線勵磁裝置主要存在兩種結構：一是多層電容板軸向排列的結構，如圖所示。這種設計巧妙地將大部分電場約束在極板間隙內，從而省去了金屬或其他材料作為電磁屏蔽的需求。二是同心圓徑向結構，如圖所展示。目前，針對采用此結構的無線勵磁裝置的研究尚不成熟，仍處于探索階段。

與耦合電感式技術的成熟成果相比，耦合電容式在傳輸功率和距離上仍有較大的提升空間。由于電極的必然存在，電容板與電機軸、機殼等部件間會產生無法避免的泄漏電容，進而引發額外的傳導損耗和介電損耗。若未采用全包圍的金屬或特定介質來限制電場，其傳遞效率將難以獲得顯著提升。然而，耦合電容式的一個顯著優勢在于其無需繞組和鐵心，因此完全規避了繞組損耗及額外的鐵心損耗。此外，耦合電容式的接收端能夠輕松地與高頻整流裝置集成于同一PCB板上，這不僅使整體裝置更為緊湊、輕便，還極大地提升了機械完整度，為電機的高速運行創造了有利條件。

磁耦合諧振式無線電能傳輸（MCR-WPT）與耦合電感式的主要區別在于能量傳遞過程中是否發生強磁耦合諧振。MCR-WPT技術要求發射端與接收端的諧振頻率必須相同，當系統運行于該頻率時，磁場顯著增強，極大地促進了能量的遠距離高效傳輸。此外，MCR-WPT的勵磁裝置還具備高傳輸效率和良好的通障性等優勢，因此，其在電機中的應用已成為當前研究的熱點。

磁耦合諧振式在理論研究上的重點與耦合電感式存在諸多相似之處，涵蓋傳輸距離、繞組選型與設計、以及鐵心設計等方面。此外，磁耦合諧振式還需特別關注諧振頻率的恰當選擇，這一頻率需與高頻逆變器的頻率相匹配，具體取決于所采用的功率半導體器件。研究人員利用PCB螺旋線圈成功研發出一款諧振頻率為1MHz的軸向無線勵磁裝置。該裝置創新性地采用GaN器件作為功率開關管，此舉有效降低了損耗并提升了整體效率，如圖所示。

還有研究將三次諧波勵磁的運行機理創新性地應用于磁耦合諧振式勵磁裝置中。研究人員通過調制電樞電流，產生高頻分量，這些高頻分量隨后被轉子上的接收繞組通過諧振耦合捕獲，轉化為磁場能量，并經過整流后為勵磁繞組供電。此裝置設計緊湊，高度集成，無需額外電源及發送端設備。然而，轉子接收繞組的設置占用了電機內部空間，導致勵磁繞組的空間受限，進而使得勵磁繞組的電流密度增加，加劇了轉子的能量損耗。與耦合電感式裝置相似，磁耦合諧振式裝置對發射端與接收端的安裝位置精度有著極高的要求。一旦安裝位置偏離預設范圍，裝置的傳輸效率將顯著下降，這對零部件的加工精度及裝配過程的準確性提出了更為嚴苛的標準。