轻稀土和无稀土永磁电机的研究进展

每台轮毂电机驱动的车辆中需要多台轮毂电机，相比于集中驱动型车辆在成本方面处于劣势。为了降低轮毂电机成本和对稀土这种国家战略物资的消耗，通过降低永磁体中稀土的含量，实现永磁电机轻稀土化甚至无稀土化。但相比于传统的稀土永磁电机，该类电机作为轮毂电机有几点不足，磁体中较低的剩磁和较低的矫顽力，使得电机的转矩密度和可靠性低于稀土永磁电机，增加了设计难度和转子结构复杂性。

目前，在减少稀土用量方面主要有以下三种技术方案，分别为减少稀土用量、采用低成本稀土、无稀土永磁电机。

少稀土永磁电机是通过采用铁氧体替代部分稀土永磁材料，进而降低稀土永磁材料用量，或者增加磁阻转矩在转矩贡献中的占比减少稀土永磁体用量。江苏大学汪雪将混合永磁材料与具有聚磁效应的轮辐式转子相结合，研制了一台功率为5 kW少稀土永磁无刷电机，如图1所示，电机可以进行2～3倍过载，满足电动汽车频繁起停的车况要求。电机永磁体采用钕铁硼和铁氧体结合，一方面减少了钕铁硼永磁体的用量，且控制了成本；另一方面，两种永磁体并联，较单独使用铁氧体时不仅提高了电机转矩，同时提高了电机的抗退磁能力。

根据磁障转子的高凸极比的特性，日本东北大学的S. Ishii等提出了组合励磁外转子永磁电机。电机转子采用外转子结构，如图2所示，靠近定子侧为稀土永磁体，远离定子的永磁体为铁氧体。该电机相比于普通外转子V字型稀土永磁电机稀土用量减少50%，降低了成本，同时转矩提升了1.21倍，其转矩提升主要是增加了电机的凸极比。

基于一字型内置永磁同步电机，A. Yamada等提出了两种新结构少稀土永磁电机，如图3所示。模型1的输出转矩可以达到普通型永磁电机转矩的91.6%，且其稀土材料用量减少了超过50%。模型2输出转矩可达到96.3%普通永磁电机额定转矩，极限转速可以超过9000 r/min。

轻稀土永磁电机的另一种技术是采用低成本的稀土材料，减少贵重稀土元素的消耗，最常用的是无Dy钕铁硼技术，该种材料由于不含Dy元素，导致永磁体的剩磁或矫顽力其中一项参数很低。永磁电机可以通过采用spoke等聚磁结构，达到与常规永磁电机相当的性能。

比轻稀土更近一步的是无稀土，主要技术方向有两个，分别为：将非稀土元素完全取代稀土元素，铁氧体作为助磁的同步磁阻电机，电机电磁转矩主要由磁阻转矩贡献；开关磁阻电机，完全不需要磁体。针对铁氧体助磁的同步磁阻电机，提升永磁电机输出转矩有两种方案，分别是提升电机的磁阻转矩和永磁转矩。

为了提高无稀土永磁电机的永磁转矩，W. Kakihara等采用具有聚磁功能的spoke型转子结构和提高电机铁氧体用量的方案。由于铁氧体的矫顽力较低，该电机设计时需要提高电机抗退磁能力。

为了提高电机的抗退磁能力，主要采取了以下几种方法：通过增加电机旁路漏磁减少穿过永磁体的退磁磁通；通过降低d轴磁导，提高电机的凸极比，提高电机转矩输出能力；采用分布绕组，降低电机d轴电感；采用定转子铁心不等长结构，同时永磁体凸出转子铁心的结构，在提高电机转矩的同时，提高了磁体外边缘的抗退磁能力，永磁体的退磁率为0.34%，低于目标0.5%，且最大转矩超过目标值。

以2003丰田普锐斯电机指标为设计目标，日本大阪府立大学S. Morimoto等提出了一种新型的永磁同步磁阻电机，电机转子结构如图4所示。电机的磁路结构基于磁障式磁阻转子，在磁障中添加铁氧体进行助磁，提高了电机电磁转矩。该电机转子具有较高的机械强度，可以承受较高的转速。在抗退磁方面，通过电机磁桥和旁路为弱磁磁场提供磁通路径，提高电机的抗退磁能力。

无稀土永磁电机在提高磁阻转矩和永磁转矩时，增加了电机凸极比以及永磁体用量，降低d轴电感，进而降低了电机的弱磁扩速能力，使得电机调速范围变窄。为了克服非稀土永磁电机调速范围窄的问题，S. I. Kim等提出了一种分列式轮辐状铁氧体电机，转子基于传统的轮辐结构，将一块永磁体分成不等宽的两部分，如图5所示，在保证铁氧体用量不变的情况下，增加了电机d轴电感强度，拓宽了电机的转速运行范围。

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