记忆电机是指一种通过改变永磁体磁化水平来实现气隙磁场调节，被称为真正意义上的可变磁通永磁电机。电流脉冲来改变永磁体磁化状态，以实现高效的在线调磁，被认为是一种真正意义上的可变磁通永磁电机，非常适于电动汽车、高速机床和飞轮储能等领域的应用。根据施加脉冲调磁电流的方式，记忆电机可以分为交流脉冲调磁型和直流脉冲调磁型两大类。

随着稀土永磁材料性能的不断提高，以高效率、高功率密度为显著特征的永磁电机得以快速发展，在航空、航天、舰船、汽车、机床等很多工业领域获得了广泛应用，不仅显著地加快了我国实现工业现代化的步伐，而且有效地促进了我国节能减排战略目标的实现。传统永磁电机的气隙磁场很难调节，这导致电动运行时，恒功率区较窄，调速范围有限;发电运行时，电压调节和故障灭磁困难。当需要弱磁时，通常施加持续的d轴弱磁电流来削弱气隙磁场，此时永磁体易发生不可逆退磁，极大地限制了永磁电机在电动汽车、高速机床和飞轮储能等领域的应用。为此，如何实现永磁电机的气隙磁场调节成为近年来电机领域的一个研究热点。比较可行的方案是采用混合励磁技术，它是在永磁电机的基础上引入电励磁，通过调节电励磁电流的大小和方向来实现电机气隙磁通的调节，具有调磁方便、效率高等优点，但同时也有一些明显的缺点。混合励磁电机可以采用并联磁路或者串联磁路，但前者永磁体漏磁较多，后者电励磁损耗较大，此外，电机的结构相对复杂，加工制造困难，因此，混合励磁电机并不是一个十分完美的解决方案。近几年来，一种通过改变永磁体磁化水平来实现气隙磁场调节，被称为真正意义上的可变磁通永磁电机--记忆电机(memory motor MM)，正在受到越来越多学者的关注，并取得了突破性进展。该类电机采用高剩磁、低矫顽力的永磁材料，如铝镍钻(aluminum-nickel-cobalt A1NiCo)，通过施加脉冲电流瞬间改变其磁化状态，并且其磁化水平能被记J忆住，从而实现气隙磁场的灵活调节，并几乎没有电励磁损耗，是一种简单高效的在线调磁方案。根据施加脉冲调磁电流的方式，可以将记忆电机分为交流脉冲调磁型和直流脉冲调磁型，前者在三相定子绕组通入三相交流电流形成d轴瞬时磁化脉冲来改变转子永磁体的磁化水平;后者将脉冲调磁绕组和永磁体同置于定子上，在调磁绕组中通以直流脉冲电流来达到同样的目的。记忆电机为永磁电机调速范围的拓宽提供了新的途径，并可望为电动汽车、高速机床及飞轮储能等应用领域提供新型的永磁电机宽调速驱动系统。

总结了现有各种结构的记忆电机，分析了它们的结构特点、工作原理和各自优缺点，据此阐述了记忆电机的关键共性问题。针对现有记忆电机存在的不足，将磁通切换(flux switching } FS)原理与记忆电机相结合，了一类新型的磁通切换型记忆电机(flux switching-memory motorFS-MM)旨在实现在线调磁与驱动的协调控制，同时实现感应电动势正弦，使之适用于宽调速高精度的伺服应用。

记忆电机的“记忆”概念源自电机中采用的A1NiCo永磁体，其磁化强度能够通过施加短时充、去磁电流而得到改变，并且新的磁密水平能被记忆住。为了清晰地解释该种“记忆”特性，图1给出了A1NiCo永磁体的磁滞回线。图1中:B:表示其最大剩磁;表示矫顽力;P,为退磁曲线和负载线的交点，即永磁工作点。当施加一个负向的去磁脉冲时，永磁工作点将从P,移动到Qo;而当电流脉冲消失后，工作点沿着回复线Q，上升，并最后稳定在新工作点。

相反，当施加一定的正向充磁脉冲时，永磁工作点将沿着PZRZR}P，回到原工作点。因此，通过施加不同的充、去磁脉冲电流，A1NiCo永磁体的磁化水平可以被改变并被记忆住，从而实现记忆电机气隙磁通的灵活调节。

从图1可以看出，A1NiCo永磁体的磁滞高度非线性导致回复线不会与退磁曲线重合，这给确定其磁化水平与充、去磁脉冲电流间的对应关系带来了很大困难，这也是各种记忆电机磁化机理研究的一项重要内容。

AlNiCo永磁体特殊的磁化特性使得记忆电机变成了一种新概念的可变磁通永磁电机，其拓扑结构具有多样性。根据瞬时调磁脉冲施加的方式，记忆电机可以大体分为两种:交流脉冲调磁型和直流脉冲调磁型。前者是通过矢量控制，在三相电枢绕组中分别施加一个存在相位差的短时脉冲电流，合成一个d轴脉冲磁动势来改变永磁体磁化水平。定子绕组兼具驱动控制和调磁控制两种功能，虽然这简化了电机结构，但在实际运行过程中，电枢绕组与永磁体相对位置不断变化，确定在线充、去磁的准确时刻十分困难，目前国内外尚无这类记忆电机实现在线调磁控制的报道。

直流脉冲调磁型记忆电机，其调磁绕组一般独立设置，电机的驱动控制与调磁控制功能上分开，大大降低了在线调磁控制的难度，但电机结构相对复杂。考虑到要实现无刷化，这类电机多为定子永磁型，即AlNiCo永磁体和脉冲调磁绕组同置于定子上，可以与电枢绕组同处于一层定子上，也可以采用双层定子结构形式。由于永磁体置于定子上，电机的转子必定是凸极结构。目前，直流脉冲调磁型记忆电机主要是双凸极记忆电机(doubly salient memory motor DSMM)。FS-MM也属于这类记忆电机，国内外未见研究报道。

记忆电机的概念最早由德国学者V. Ostovic于2001年第36届IEEE工业应用会议上。他将在线写极(充去磁)的理念引入到普通永磁同步电机(permanent magnet synchronous machine，PMSM)，从而发明了原型记忆电机，结构如图2所示。电机的定子与普通交流电机相同，转子由AlNiCo永磁体、非磁性夹层和转子铁心组成“三明治”结构，沿圆周方向依次压装在转轴上。转子采用切向磁化的梯形永磁体，一个极距下的气隙主磁通由相邻两磁极提供，可获得较大的每极磁通。AlNiCo永磁体产生的磁通通过气隙进入定子形成主磁通回路，当需要增磁或弱磁时，采用矢量控制，在三相电枢绕组中分别施加一个脉冲电流，在d轴上合成产生一个充、去磁脉冲电动势，瞬间改变转子上AlNiCo永磁体内部的磁化水平，进而调节气隙主磁通。这种特殊转子结构能够对永磁体进行反复可逆充去磁，几乎没有励磁损耗。Ostovic制作了一台原型记忆电机样机，实验结果验证了记忆电机调磁的可行性。

自记忆电机以来，国内外电机学者针对这类新型可变磁通电机展开了理论与技术研究。大连理工大学孙建忠教授探讨了原型记忆电机一些设计特点，指出永磁体内部存在一个有效径向长度和“零磁密”范围，增大磁化方向长度可显著增加气隙磁密。另外，韩国Hanbat国立大学Jung Ho Lee等学者将Preisach模型和有限元技术结合，对原型记忆电机在连续重新磁化和去磁状态下的电磁特性进行了分析研究四。针对原型记忆电机分析了永磁体形状对该电机气隙磁密、最大去磁安匝数、气隙磁通和调磁方式等的影响;深入研究了原型记忆电机的调磁机理，采用有限元法分析了不同磁化电流作用下永磁体内部的磁通密度、磁场强度以及气隙磁通等物理量的变化，获得了电机去磁和充磁时的调磁规律，并研究了梯形磁极对去磁效果的控制机理。

此外，美国威斯康星一麦迪逊大学NateeLimsuwan和日本Takashi Kato等学者，在交轴磁路磁阻增强设计的内置式PMSM基础上，通过变换永磁位置了两种结构的记忆电机，其结构如图3所示。通过合理设计漏磁路径实现更大的磁通调节范围，并采用有限元分析证实了该电机出色的调磁特性以及较高的运行效率。

相比于传统的PMSM，上述原型记忆电机和交轴磁阻增强式记忆电机继承了前者气隙磁场正弦的优点，可以适用于高精度的伺服控制场合;高速运行时，电枢绕组中不需施加d轴去磁电流，因此铜损较低，电机的运行效率较高。但是，它们也存在以下明显不足:1)采用了矫顽力相对较低的A1NiCo永磁体，电机的最大气隙磁通很难达到钱铁硼(NdFeB)永磁电机的水平，电机力能指标不尽如人意;2)同样由于采用了A1NiCo永磁体，为了获得足够的磁通，就必须采用较厚的永磁材料，而且增磁和去磁磁通又通过电机的气隙，这就导致所需的调磁脉冲磁动势较大，增大了电枢绕组的容量。

为了弥补上述单一AlNiCo永磁记忆电机力能指标不高的缺点，在原型记忆电机的基础上一种混合永磁记忆电机。该电机结构如图4所示，采用加入NdFeB永磁体的混合永磁结构，通过有限元方法对施加连续去磁和充磁电流作用下永磁体的磁化特征进行了分析，计算了在施加不同磁化电流调磁后的气隙磁密分布、相反电动势、每极气隙磁通等，并设计制作样机，进行了实验验证。

天津大学的陈益广教授等了多种A1NiCo和NdFeB永磁体共同励磁的混合永磁记忆电机，典型结构如图5所示。其中，图5中(a)所示的4极结构将径向充磁的NdFeB永磁体作为主励磁源，两块NdFeB永磁体交接处与转子外径间硅钢片磁路设计得比较窄，以增大交轴磁路的磁阻;图5中(b)所示6极结构的V形永磁转子结构具有“聚磁”作用，可以得到较高的气隙磁场，各个转子磁极下直轴位置设置的隔磁桥极大地增加了转子交轴磁阻，使交轴电感变小，减小了运行时交轴电枢反应对直轴气隙永磁磁场的影响。图5中所示两种结构的工作机理是:切向磁化的A1NiCo永磁体可以被d轴电流脉冲正反两个方向磁化。因此，A1NiCo永磁体可以将NdFeB永磁体产生的磁通推向定子，从而起到增强气隙磁通的作用;也可以将NdFeB永磁体产生的磁通在转子内部部分短路，起到弱磁效果。

山东大学朱常青教授等了一种径向充磁的新型并列式混合记忆电机，该电机采用两种永磁体的两段转子的复合结构。NdFeB转子段采用结构简单的表面式转子结构，AlNiCo转子段结构采

用径向带极靴式结构以屏蔽交轴电枢反应对永磁体的影响，并将由神经网络建立的局部磁滞回线预测模型与AlNiCo永磁体的磁化模型相结合，建立了包括初始磁化和反复磁化的分析模型。

香港大学的邹国棠带领的课题组将记忆电机的理念首次引入到了定子永磁型电机中，首先了DSMM，结构如图7所示。该记忆电机的显著特征是定子采用双层结构，一层是电枢绕组，另外一层设置调磁绕组，从而有效避免了电枢反应对永磁体产生的影响。该课题组中的余创博士等针对该记忆电机的设计理论和控制方法进行了分析，对电机的动态电磁特性进行了研究，结果表明该电机能够满足混合动力汽车运行场合作为起动/发电机的要求;此外还研究了该电机的驱动控制方法，在基于速度、电流双闭环驱动控制基础上加入磁通控制单元，电路原理如图8所示。该电路由一个BUCk变换器和H桥功率电路组成，前者用于控制充、去磁电流幅值Im的大小，后者控制磁化电流的方向D和作用时间T，具体来说，在弱磁运行阶段，由电机转速n可以推算得需要的气隙磁通值ref，并与实测的气隙磁通值拼进行比较以确定需施加磁化电流的方向D，而所需的充、去磁电流值Iref则通过查询由有限元所测得气隙磁通与磁化电流的对应关系表获得，最后根据Iref可以调整B UCIC变换器的占空比占来确定输出电压值。实验验证了电机的弱磁扩速能力;还验证了电机具备较强的容错运行能力，仿真和实验研究了该电机的双模态(永磁双凸极式/开关磁阻式)运行，通过磁链电流方程，求得了两种模态切换的过渡点，研究了电机在两种模态下的动态性能，并验证了双模态运行理论的可行性。该课题组的龚宇博士(上海大学)等采用Preisach磁滞模型与有限元时步法相结合，对双凸极记忆电机进行了分析，并通过移相设计了一种新的换位设计方法，解决了各相磁路不对称的问题。此外，利用这类电机中的永磁体易于完全充、去磁的特点，可以实现电机的变极运行。

邹国棠教授还了一种混合永磁DSMM以增强其电磁特性，其结构如图10所示。有限元仿真验证了该电机适合作为起/发电机运行，对两种永磁体在不同用量比时的电磁特性进行了分析，研究了电机在A1NiCo永磁体不同磁化状态下的运行特性。当对其进行充磁以致其磁化方向和NdFeB永磁体保持一致时，电机达到最大的气隙磁密;在轻载或需要高速运行时，可以对其去磁乃至反向磁化，以降低甚至抵消两侧NdFeB永磁体产生的磁通，进而达到弱磁扩速的效果。

日本学者Kazuto Sakai等通过巧妙的空间设计了一种径轴向磁路混合永磁记忆电机。将AIN1Co永磁体嵌入两段结构上互补的NdFeB永磁体同步电机的中间，组成一个三明治结构，正反面的NdFeB永磁体极性相反，置于定子上的调磁绕组施加轴向磁场以改变A1NiCo永磁体磁化水平，从而调节电机气隙主磁通。有限元分析证实了该记忆电机可以通过在线调磁以获得较大输出转矩，带载情况下具有极宽的磁通调控范围。然而，该记忆电机具有轴向磁路，机壳必须采用导磁材料，电机结构相对复杂，制造难度也较大;调磁绕组的磁路较长，且通过气隙，容量要求大。

在直流脉冲调磁型记忆电机方面，目前的研究大都集中在DSMM方面。正如双凸极电机一样，DSMM定转子铁心中的磁密变化规律复杂，如何通过一种较为准确的磁滞模型以分析并掌握A1NiCo永磁体磁化水平精确控制，则是未来的研究重点。

记忆电机的气隙磁通调节机理核心在于A1NiCo永磁体独特的磁滞特性，其较低的矫顽力使其在线调磁成为可能。如图1所示，A1NiCo的磁化曲线不仅具有强非线性，而且电机运行过程中永磁体处于频繁的充、去磁过程，其工作点不仅仅取决于空间磁场的强弱，也依赖于其记录的充去磁参数。目前，大部分有限元计算软件对永磁体的处理都简化在第二象限，而A1NiCo的工作点理论上可以分布在四象限，因此，如何针对其磁滞特性进行准确数学建模，并兼顾磁滞特性真实性和数值拟合的运算效率已成为分析记忆电机的关键技术。

Ostovic根据原型机的结构特点，采用磁路法对记忆电机原型机进行了分析，但是等效磁路法无法精确考虑铁心饱和的影响，计算结果存在较大偏差。综合现有，目前国内外电机学者针对记忆电机的研究普遍采用两种磁滞模型:一种是Preisach磁滞模型;另一种是将A1NiCo磁滞特性分段线性化处理的平行四边形磁滞模型

Preisach模型是目前应用最为广泛的一种磁滞模型。其主要思想是把铁磁材料看成是磁偶极子的集合，而每个磁偶极子均具有相类似的矩形磁滞特性。

在记忆电机的磁场计算中，韩国学者H. B. Lim等通过有限元与Preisach模型相结合对原型记忆电机的在线充磁的磁场分布进行了较为精确的静态分析，然而该方法需要大量的实验数据，所用分布函数的确定较为复杂。图11表示的是一种基于函数转换的Preisach模型，该模型磁通密度的上升和下降轨迹均可以直接由B-H的极限磁滞回线插值计算得到，避免了大量实验，降低了数值计算的难度，该模型在程序编制时只需一个堆栈即可实现。上海大学的龚宇博士将该模型与时步有限元法进

行动态藕合，对DSMM的电磁特性进行了分析，并通过与样机实测结果比较验证了Preisach磁滞模型的有效性

AlNiCo永磁体的实际磁滞曲线，可以近似拟合为上下边做平行移动的一簇等宽的平行四边形，如图12所示。其中极限磁滞回线和局部磁滞回线假设具有相同的矫顽力从，但有不同大小的剩磁B，并且初始磁化曲线被近似为部分与磁滞回线重合的折线。这种简化的分段线性数值拟合方式既考虑了AlNiCo的实际磁滞模型，又极大降低了磁场计算的复杂性

记忆电机是一种全新理念的可变磁通型永磁电机，它是一个十分复杂的多变量、强藕合和高度非线性的系统，其机电能量转换原理以及矢量控制技术与传统永磁电机实质上是一样的，其特色在于实现了电机在线调磁与驱动协调控制。

目前，针对交流脉冲调磁型记忆电机，包括记忆电机的发明人Ostovic在内的国内外学者都试图采用磁场定向的矢量控制驱动技术，正常运行时采用Zd=控制方式，在线调磁时需要从驱动模式短时切换到调磁模式，而且要准确计算定子磁场到达d轴的时刻，空载且低速运行时这种切换对电机的运行影响不大，但负载或高速运行时则影响较大，也很难实现协调控制。直流脉冲调磁型记忆电机，由于其结构与混合励磁电机结构类似，存在电枢和调磁两套绕组，可以分别对它们的电流进行独立控制，在线调磁难度大大降低。对于脉冲调磁绕组，采用一个H桥功率电路和一个可控电源即可。但是该电机由于采用双层定子以放置电枢和调磁绕组，结构比较复杂，电机的制造工艺难度远大于普通PMSM。而如何实现调磁和驱动两种模块的在线协调控制也值得进一步深入研究。

无论交流还是直流脉冲调磁型记忆电机，其充、去磁的时机以及转子位置对调磁磁路的影响都会对电机的驱动性能产生影响，因此实现记忆电机转子位置的精确检测也是构建电机在线调磁与驱动协调控制的关键。另一方面，为了实现电机的准确调磁，设计一个用于精确测量气隙磁通的模块将变得十分必要。尽管目前许多用于磁通检测的装置被，但均是针对传统PMSM直接转矩控制策略，因此，在设计记忆电机的控制系统时，可以通过设置附加检测线圈，利用电压传感器测得电机反电动势，并通过智能运算模块估算气隙磁通，与既

定性能指标所要求的参考值进行比较，采用事先实验测得的数据表来确定下一步充、去磁的策略，即施加脉冲电流的方向和大小，这样才能实现记忆电机的高效准确调磁控制。

记忆电机作为一种新概念的真正意义上的可变磁通永磁电机，在电动汽车、高速机床及飞轮储能等领域具有广阔的应用前景。（2按照交、直流脉冲调磁型分类分析了现有的各种记忆电机的结构特点、工作原理以及优缺点，并得到以下结论:

1)对于交流脉冲调磁型记忆电机，电枢绕组兼具脉冲调磁与矢量控制驱动功能，其有效的控制策略研究及相应的控制系统研发还有待完成。

2)对于直流调磁型记忆电机，其拓扑结构有待进一步扩展，采用较为准确的磁滞模型以分析并掌握该电机的磁化水平精确控制值得研究。

3)在今后记忆电机发展过程中，AlNiCo永磁体的磁滞建模，转子位置和气隙磁通的精确检测技术，以及在线调磁与驱动协调控制技术是必须解决的关键共性问题。

针对现有直流调磁型记忆电机存在的反电势非正弦、转矩脉动大等问题，为了实现记忆电机的高效调磁，并使之适用于高精度的伺服控制，磁通切换型记忆电机具有反电动势正弦度高、定位力矩和转矩脉动小、功率密度大和容错运行能力强等优势。这类新型记忆电机的拓展了记忆电机的新原理和新结构，丰富了其科技内涵。