電氣激磁交流同步電機模型介紹

在當前的新能源載具驅動系統中，內藏式永磁同步馬達 (IPMSM) 憑藉高功率密度與優異的低速轉矩表現，長期佔據市場主流。然而，隨著電動車市場的擴張與應用場景的多樣化，產業界對供應鏈安全與全速域效率的要求日益提高。在此背景下，電氣激磁交流同步電機 (Electrically Excited Synchronous Motor, EESM) 作為一種無稀土的替代方案，重新受到車廠的重視。

為什麼需要 EESM？

EESM 的重新崛起，主要源於 IPMSM 在實際工程應用與供應鏈上所面臨的三大瓶頸：

1. 依賴稀土材料與成本波動：IPMSM 高度依賴稀土磁石來建立轉子磁通。稀土金屬的價格受地緣政治影響極大，導致成本難以長期穩定控制。

2. 高速弱磁區間的效率受限：IPMSM 的磁通大小在製造後幾乎固定，當電機運轉至高轉速時，為了避免端電壓高於DC Bus電壓，必須注入大量的負D軸電流來弱磁。而這些無功的電流會產生顯著的銅損，導致高速區間時的效率大幅下降。

相較之下，EESM 透過轉子激磁繞組取代永久磁鐵，將轉子磁通轉變為可控變數，從根本上解決了恆定磁場所帶來的限制。

EESM之結構與運作概念

EESM 的定子結構與傳統三相交流電機相同，採用分佈式或集中式繞組以產生旋轉磁場，其核心差異在於轉子設計，轉子有勵磁繞組，透過直流勵磁產生主磁通。轉子供電可透過滑環碳刷，也可採用無刷激磁（例如旋轉整流器）。許多 EESM 模型還會加入阻尼繞組（damper winding），用來改善暫態穩定、抑制振盪，並使得在某些工況下的動態更接近感應機行為。

EESM之數學模型

(圖一) EESM電壓矩陣

其中，ds, qs分別定子DQ軸分量，kd為D軸阻尼分量，f為勵磁繞組分量，kq1,kq2為第一與第二Q軸阻尼分量。

(圖二) EESM D軸磁通矩陣

(圖三) EESM Q軸磁通矩陣

其中，Lls為定子漏感，Lmd, Lmq為DQ軸互感，Llfd為勵磁繞組漏感，Llkd為D軸漏感，Llkq1, Llkq2為第一與第二Q軸漏感。

EESM優點：

• 磁通可調：可在低速增磁提升扭矩、高速降磁拓展弱磁範圍。

• 避免稀土依賴：不使用永磁體或降低其依賴，有助成本與供應鏈風險管理。

• 退磁風險較低：沒有磁體退磁的問題，設計彈性更大。

• 效率最佳化空間更大：可以同時控制id iq if三個電流，能夠在不同操作情境中找到更好的電流組合。

EESM缺點：

• 控制更複雜：多了一個勵磁電流需控制，需多考慮一個狀態。

• 結構與可靠度挑戰：若採滑環碳刷，會產生元件磨耗問題；無刷激磁則增加系統複雜度。

• 功率密度未必贏 PMSM：少了高能量密度永磁體，若設計不佳可能在體積重量上吃虧。

結論

電氣激磁交流同步電機(EESM) 並非全面取代 IPMSM，它以犧牲部分硬體空間與低速效率為代價，換取了成本可控性、極佳的高速運轉效率。

EESM 系統的成敗高度依賴於電磁分析與控制演算法的深度整合。唯有透過精準的控制方法、模擬驗證，以及高效率的三維最佳化之演算法，才能真正找到 EESM的最佳使用情境 。

目前在MR2 Advance的機種可以使用上述EESM的模型，凱登將陸續推出MR2軟體特色、電機模型解析、編碼器驗證、各式外掛模組、應用案例等文章，敬請期待。

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