一种基于转子谐波绕组的新型高效自激无刷绕线转子同步电机，具有改进的转矩特性

为什么这种新型电机很重要

电动机隐匿于现代生活中几乎所有移动设备中，从工厂机器人到电动汽车和家用电器。如今许多最有效率的电机依赖于由稀土材料制成的永磁体，这些材料成本高且易受供应中断影响。本文提出了一种不同的方法：一种紧凑的电机设计，在不使用永磁体或易损的电刷接触的情况下提供强大的扭矩（即转矩），有望使高性能电驱动更便宜、更耐用且更易于维护。

无需昂贵磁体的电机

标准的高效电机通常在旋转部件上安装强力永磁体。这些磁体提供恒定磁场，有助于电机在额定负载下高效运行，但在轻载时会浪费能量，并且使宽速范围控制变得复杂。它们还依赖稀土金属，其价格和供应可能出现剧烈波动。一种替代方案是绕线转子同步电机，其中转子的磁场由铜线圈而非永磁体产生。然而，传统版本的此类机器需要电刷和滑环将电流引入旋转转子，这会带来磨损、火花、损耗和维护问题。

无刷设计及其局限

研究人员多年来一直试图构建将绕线转子的可控性与无刷设计的低维护优点结合起来的电机。许多提议的无刷绕线转子机器使用额外绕组和多个电力电子模块，在没有直接电接触的情况下将能量注入转子。它们经常依赖精心设计的含有小波动（或谐波）的磁场，这些谐波可以在特制的转子线圈中感应出电流。尽管这些方案可行，但往往复杂，需要额外逆变器、附加定子绕组或永磁体，这都会提高成本并可能仍然在转矩密度上不足。

更巧妙地利用隐藏的磁性波动

作者基于最近的一个想法：利用定子磁场中已存在的“次谐波”来在转子内部发电。与其在固定侧增加更多硬件，他们把注意力放在重新设计转子本身。在早期设计中，只有一半可用的转子槽被填入一种特殊的谐波绕组，用于拾取该次谐波并供给整流器，整流器再为主励磁绕组提供直流。新的方法则通过在空闲的转子槽中加入第二个相同的谐波绕组并用电容将两者连接起来，使它们的交流电保持同步，从而利用了这些未用空间。

新转子如何提升转矩

当来自单个逆变器的三相电流流过定子线圈时，它既产生主旋转场，也产生强烈的次谐波分量。该次谐波在转子上的两个谐波绕组间扫过，在每个绕组中感应出交流电流。这两个电流合并后通过安装在转子上的小型整流器，将合成信号转换为供给主励磁绕组的稳定直流。由于现在有两个谐波绕组而不是一个，从相同的定子输入中收集到的电流更多，从而在不增加外部功率硬件的情况下增强了转子的磁场。对一台8极12槽原型机的基于计算的有限元仿真显示，新的设计中平均励磁电流较早期单绕组版本提高了近30%。

在实际工况下的性能提升

更强的转子磁场直接转化为更大的转矩和功率。在相同转速和相同定子电流条件下，新机器产生的平均转矩约为10.25牛·米，而参考设计为8.39牛·米——提高了22.15%。输出功率按相同比例上升，效率略有提升，接近93%。重要的是，转矩波动（衡量电机运转平稳性的指标）仍然非常小（低于1%），表明新增绕组并未引入不良振动。铁心中的磁通密度仍低于饱和限值，这意味着性能提升并未以过热或过度材料应力为代价。

这对未来电驱动意味着什么

简单来说，研究人员证明了通过在转子内部巧妙重排铜线，可以在不改变外形尺寸、电源或定子设计的情况下，从电机中挤出显著更多的有效推力。通过在未使用的转子空间中填入第二个谐波绕组并利用内置的磁性波动作为免费能量传输通道，他们的无刷绕线转子机在避免昂贵永磁体和高维护电刷的同时，实现了更高的转矩、更平滑的运行和略高的效率。这样的电机可能成为电动汽车和其他需要高转矩的应用中兼顾成本、可靠性与供应安全性的有吸引力选择。

引用: ul Haq, M.A., Farooq, H., Liaqat, R. et al. A novel rotor harmonic winding-based high efficient self-excited brushless wound rotor synchronous machine with improved torque features. Sci Rep 16, 9267 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38287-z

关键词: 无刷绕线转子电机, 高转矩电机, 无永磁驱动, 自激转子绕组, 电动汽车牵引