江苏大学团队：现代电动汽车少稀土永磁电机的技术趋势、挑战与机遇

江苏大学团队：现代电动汽车用少稀土永磁电机的技术趋势、挑战与机遇

近日，江苏大学团队在本刊上发表了题为“Technology Trends, Challenges, and Opportunities of Reduced-rare-earth PM Motor for Modern Electric Vehicles”的综述论文，收集、归纳和总结少稀土永磁电机的研究进展，讨论设计上的考虑和限制，并为进一步研究提供路线图。本文根据主导的转矩分量，将少稀土永磁电机分为少稀土永磁主导电机和少稀土永磁辅助电机两类。依次讨论了各类型少稀土永磁电机的工作原理、设计注意事项和限制条件。最后，结合电动汽车应用前景，总结了少稀土永磁电机存在的关键问题，并对相应的技术手段进行了展望。

本文选自Green Energy and Intelligent Transportation 2022年第1期

研究背景

随着人们对环境污染和能源危机的日益关注，电动汽车以其显著的环保效益得以迅速发展。为满足电动汽车多样化的行驶需求，高性能稀土永磁电机因其具有高功率密度和高效率的优势，已被广泛应用于电动汽车动力总成中。然而，稀土作为不可再生的战略资源，通常面临供应不稳定和价格波动的问题，增加了稀土永磁电机大规模应用的潜在风险，也为电动汽车或其他严重依赖稀土永磁材料应用领域的长期可持续发展带来了负面影响。在此背景下，由于能有效缓解高性能永磁电机对稀土永磁依赖的问题，少稀土永磁电机越来越受到专家学者的关注。这意味着，在不影响性能的前提下，研究和开发少稀土永磁电机正成为电机领域一个新的研究热点。本文综述了各类型少稀土永磁电机的工作原理、设计注意事项和限制条件，结合电动汽车的潜在应用背景，总结了稀土永磁电机的关键问题，并对相应的技术手段进行了展望。

文章简介

根据主要转矩分量和磁源数量，将现有的主要少稀土永磁电机分为四组，第一组为具有单一磁源的少稀土永磁电机，包括铁氧体-永磁体(Ferrite-PMD)电机和交替极少稀土永磁（CP-LRE-PMD）电机。第二组为具有多个磁源的少稀土永磁电机，即多永磁主导(M-PMD)电机。第三组为具有单一磁源的少稀土永磁辅助电机，即单永磁辅助同步磁阻（S-PMA-SynR）电机。第四组为具有多个磁源的少稀土永磁辅助电机，即多永磁辅助同步磁阻（M-PMA-SynR）电机。

图1 基于主导转矩分量和磁源数量对少稀土永磁电机进行分类

第一组：单磁源少稀土永磁电机

1. 铁氧体永磁电机

为了缓解永磁电机中稀土元素的消耗，铁氧体作为一种非稀土材料因其稳定的供应和低廉的价格引起了人们的广泛关注。根据铁氧体永磁在转子中的位置，可将铁氧体永磁电机（Ferrite-PMD）分为表贴式和内置式。其中，内置式铁氧体永磁电机将铁氧体永磁体埋入转子内，能够利用磁阻转矩分量，从而提高了转矩输出能力；此外，将铁氧体永磁体埋入转子较深的位置，可提高其抗退磁能力。

图2(a) 为传统铁氧体永磁电机的转子拓扑，轮辐式永磁的排布形式具有聚磁效应，这有助于提高气隙密度，使其具有与稀土永磁电机相媲美的转矩输出能力。为进一步提高转矩输出能力，如图2(b)所示，通过精心设计每块铁氧体永磁体之间的角度，可以提高磁通密度，进而提升转矩性能。

采用铁氧体完全代替稀土永磁体的铁氧体永磁电机是一项高经济效益的手段。鉴于铁氧体相对较低的矫顽力和剩磁的固有磁特性，铁氧体永磁电机的磁负载和电负载设计需要精细的设计，以保持输出转矩、抗退磁能力和恒定功率速度范围之间的平衡，使其满足电动汽车的要求。

图2 轮辐式铁氧体永磁电机

(a)传统的铁氧体永磁电机 (b)改进永磁角度的铁氧体永磁电机

2. 交替极少稀土永磁电机

近年来，一种交替极少稀土永磁（Consequent-pole LRE-PMD）电机受到了广泛的关注。如图3所示，为交替极少稀土永磁电机，相同极性的稀土永磁被铁芯所取代。对于常规的表贴式稀土永磁电机，每个极对的永磁磁通由两个永磁极（N和S）产生，两个不同极性的永磁形成串联磁路。而对于交替极少稀土永磁电机，每个极对的永磁磁通仅由一个永磁极（即N或S）产生，铁芯被磁化以形成闭合磁通回路。由于交替极的结构设计，交替极少稀土永磁电机的气隙磁场非对称，这导致气隙磁密中存在大量的偶次谐波。偶次谐波的存在将会对齿槽转矩和转矩脉动造成影响。此外，由于磁势的不平衡，在端部区域会出现单极性漏磁，这可能致使机械部件磁化降低电机的可靠性。总的来说，交替极少稀土电机在降低稀土永磁体用量和保持令人满意的转矩输出能力方面显示出巨大的潜力。鉴于交替极结构引起的气隙磁场不对称和磁力不平衡，在交替极少稀土电机的设计过程中，需要充分注意对转矩脉动和单极漏磁通的抑制，以满足电动汽车应用的舒适性和可靠性要求。

图3 转子拓扑

(a)常规表贴式永磁电机 (b)交替极少稀土永磁电机

第二组 多磁源少稀土永磁电机

为了提供所需的输出转矩和减少稀土永磁的消耗，提出了一种多磁源永磁（M-PMD）电机。多磁源永磁电机的磁源通常由稀土永磁和非稀土永磁(即铁氧体永磁)组合而成。两个永磁电机的磁特性完全不同。因此，磁路结构更加复杂，两个永磁之间的耦合效应更加显著。根据两个永磁电机的排列方式，分为串联磁路、并联磁路和复合磁路三种典型的磁路结构，相应可行的转子单元设计如图4所示。

图4 三种典型磁路及相应的可行性转子单元设计

(a)并联磁路 (b)串联磁路 (c)复合磁路

图5表示为具有并行磁路的多磁源永磁电机，大块的铁氧体永磁放在转子中提供主要的永磁转矩组件，稀土永磁设置在铁氧体永磁的末端靠近气隙的地方，以提供辅助永磁转矩分量，并降低铁氧体永磁的退磁风险。为了在更宽的恒功率转速范围下获得更高的d轴电感，图5(c)所示将铁氧体永磁分离为两个更薄的部分，值得注意的是，对于并联磁路，需要仔细设计两个永磁的尺寸，以保持两个永磁之间的磁动势(MMF)平衡。

图5 多磁源永磁电机拓扑

(a)U型铁氧体和稀土永磁式 (b)轮辐式铁氧体和稀土永磁式 (c)轮辐式稀土和分离铁氧体永磁式.

多磁源永磁电机在满足转矩输出的同时，能够有效减少永磁体用量，使其成为少稀土永磁电机强有力的候选者。对于这类电机而言，需要精心设计磁路，以利用典型磁路的不同特性。例如，并联磁路拥有输出更高的转矩密度潜力，而串联磁路则拥有更强的抗退磁潜力。在磁路设计的基础上，需要精确分析和确定两种永磁体的体积、大小和位置，以减少负面的耦合效应。此外，考虑到电机的结构相对复杂，有必要运用现代进化算法的优化策略来提高其综合性能，以满足电动汽车的应用要求。

第三组 单磁源少稀土永磁辅助电机

对于单磁源永磁辅助同步磁阻（S-PMA-SynR）电机，转子中有两个关键结构，多层屏障和较少的永磁数量。多层屏障的设计是为了增加d轴和q轴之间的电感差，进一步增强磁阻力矩分量，而较少的永磁则起到辅助磁源的作用，提供永磁转矩分量。多层屏障和永磁需要精心设计，以满足高扭矩密度和低成本的要求。如图6所示，为单磁源永磁辅助同步磁阻电机的经典电机拓扑和矢量图。

图6 单磁源永磁辅助同步磁阻电机的经典拓扑和矢量图

(a)电机拓扑结构 (b)矢量图

考虑到低成本的优点，带有弱磁铁（即非稀土永磁体或较少的稀土永磁体）的单磁源少稀土永磁辅助电机是替代稀土永磁电机的一个好选择。鉴于这类电机的多层屏障设计，电机的机械强度需要得到更多关注。抑制转矩纹波和提高抗退磁能力是单磁源少稀土永磁辅助电机亟待解决的主要问题，同时也是其主要研究方向。

第四组 多磁源少稀土永磁辅助电机

为了进一步提高转矩密度和抗退磁能力，并保持较低的永磁成本，提出了多磁源永磁辅助同步磁阻（M-PMA-SynR）电机。与多磁源电机类似，多磁源永磁辅助同步磁阻电机的共磁源由两种具有不同磁体特性的永磁组合而成，磁路包括并联磁路、串联磁路和复合磁路。

如图7所示，本文提出了一种具有串联磁路的多磁源永磁辅助同步磁阻电机，其中稀土永磁被放置在更靠近气隙的地方，以改善铁氧体永磁的工作点。铁氧体永磁的退磁风险显著降低。采用分层设计方法，依次进行显著比设计和永磁利用率设计。结果表明，铁氧体的抗退磁能力得到了有效提高。

图7 串联磁路多磁源永磁辅助同步磁阻电机

(a)电机拓扑结构 (b) 转子局部放大图

如图8所示，为多磁源永磁辅助同步磁阻电机，稀土永磁布置在铁氧体永磁的末端，形成平行磁路，铁氧体永磁远离气隙，以减少不可逆退磁风险。为了提高永磁的利用率，将磁障优化为扇形，以减少漏磁通，其目的是通过用铁氧体永磁代替部分稀土永磁来降低永磁成本。通过减少稀土永磁的消耗、增加转子的凸极率，在不降低扭矩性能的前提下，永磁成本明显降低。

图8 并联磁路多磁源永磁辅助同步磁阻电机

少稀土永磁电机目前仍有一些关键的科学问题亟待解决。

首先，随着永磁材料中稀土元素含量的减少，电机的磁负载可能会在一定程度上降低。因此，如何保持或提高转矩密度，以满足电动汽车的加速和爬升要求，成为少稀土永磁电机设计过程中首要考虑的问题。

其次，为了充分利用磁阻转矩分量，MTPA控制方法受到了广泛应用，即向电枢注入负d轴电流，但无疑会影响永磁体的工作点，增加不可逆退磁的风险。因此，在少稀土永磁电机的设计中需要重视永磁电机的抗退磁能力，特别是铁氧体永磁电机这样的低矫顽力电机。

最后，为了满足高速巡航和延长电池续航里程的要求，少稀土永磁电机的效率和恒功率转速范围需要得到充分的重视。

为了满足电动汽车应用的上述要求，减少稀土永磁电机的消耗，领域内的专家学者们提出了一些新的设计概念，并将相应的技术应用到少稀土永磁电机的拓扑设计中。从转矩分量的利用、重构和调节三个维度出发，总结了实现低稀土永磁电机高性能的三种有效技术手段，包括：高转矩密度磁场偏移技术、强抗退磁能力的磁场增强技术、广域高效漏磁可控技术，为少稀土类永磁电机的深入研究和未来发展指明了方向。