稀土永磁电机具有功率/转矩密度高的特点，应用非常广泛。但是，随着稀土永磁体价格的不断升高，无稀土或少稀土永磁电机成为未来的发展趋势，特斯拉也提出下一代永磁电机将完全不使用稀土材料。但就目前永磁电机的发展来看，特斯拉的“下一代永磁电机”还遥遥无期，但是少稀土永磁电机已经成为了现实。作者榆荫下的鱼给大家介绍一种少稀土内置式永磁电机。       

为了便于理解“少稀土内置式永磁电机”的特点，首先介绍两个基础知识。      

（1）“少稀土”永磁电机的设计思路是采用一种或多种低磁性能的非稀土永磁材料（如铁氧体）来代替部分稀土永磁材料（如钕铁硼），以减少稀土永磁体的用量。因为非稀土永磁材料的矫顽力（Hcb）和剩磁密度（Br）要低于稀土永磁，因此需要增加非稀土永磁材料的宽度和厚度对磁性能进行补偿。         

（2）内置式永磁电机的输出转矩包括电磁转矩和磁阻转矩两部分组成。其中，电磁转矩主要与永磁磁链有关，一般来讲，定子结构和绕组匝数一定时，空载气隙磁密越高，永磁磁链越大；而磁阻转矩与交、直轴磁阻的差值有关，因为永磁体的磁导率远小于铁心材料，所以径向永磁体越厚，交、直轴磁阻差值越大。

由上面基础知识可知，若将传统内置式稀土永磁电机中的部分钕铁硼替换为磁性能较差的铁氧体。虽然铁氧体的磁性能远低于钕铁硼，但可以通过增加铁氧体的厚度与宽度，来保证“少稀土”电机的永磁磁链尽可能接近钕铁硼电机。此外，增加铁氧体的厚度会增加电机的交、直轴磁阻差值，进而增加电机的磁阻转矩。这两点为“少稀土”电机的实现提供可能性。       

案例分析^[1]：     

目标：通过改变转子的永磁体材料和永磁体排列方式，设计一台“少稀土”永磁电机来替代稀土永磁电机——CAMRY2007，如图1a所示。

图1

设计思路：将CAMRY的V型转子结构结构改为U型转子结构。其中，两侧永磁体仍采用厚度相同的的钕铁硼永磁材料，而中间一字型永磁体替换为厚度更大的铁氧体永磁材料。         

具体实施方法：两种电机转子的结构参数如图2所示，其中

CAMRY2007中钕铁硼的宽度为19.1mm，厚度为6.6mm。

少稀土永磁电机钕铁硼宽度为13.4mm，厚度为6.6mm；铁氧体的宽度为18.4mm，厚度为12mm。

两台电机转子的其他参数如表1所示。

图2

电磁性能对比：

两台电机的空载气隙磁密波形如图3所示，

图3

少稀土永磁电机的气隙磁密基波幅值要低于稀土永磁电机，因此少稀土永磁电机的空载反电势也要低于稀土永磁电机，如图4所示。

  

图4

然而，少稀土永磁电机的输出转矩并没有而降低，两种电机的输出转矩近似相等，如图5所示。

图5

这是因为，少稀土永磁电机的电磁转矩虽有降低，但随着铁氧体厚度的增加，电机的磁阻转矩也随之增加，两种转矩互相补偿，电机总的输出转矩保持不变。

两台电机在不同电流下转矩组成如图6所示。图六中，柱状图的上部是磁阻转矩，下部为电磁转矩，左侧为稀土永磁电机转矩，右侧为少稀土永磁电机转矩。

图6

电机总的性能价格参数如表2所示。

从2表中可以看出，少稀土永磁电机只用了70%的稀土永磁材料，就能够达到CAMRY2007稀土永磁电机的输出转矩，而成本仅为原来的80%，降低了材料成本。

总结：少稀土内置式永磁电机能够在保证输出转矩的条件下，降低电机的永磁材料的生产成本，将会成为未来永磁电机的发展方向。         

参考文献

[1] Du Z S, Lipo T A. Cost-effective high torque density bi-magnet machines utilizing rare earth and ferrite permanent magnets[J]. IEEE Transactions on energy conversion, 2020, 35(3): 1577-1584.

来源：公众号【电机博士生笔记】作者：榆荫下的鱼