摘要：永磁磁阻同步電機同時利用永磁轉矩和磁阻轉矩，具有功率密度高、調速范圍寬和效率高等優點。文章利用有限元仿真法，對永磁磁阻同步電機輸出轉矩的構成進行了研究，分析了電機的材料成本，對比了混合永磁型和單一鐵氧體永磁型拓撲結構的性能。結果表明，在同等轉矩密度要求下，混合永磁型永磁磁阻同步電機的稀土永磁用量僅為傳統稀土永磁同步電機的50%，電機材料成本可下降30%。在空間不受限的低性能應用場合，可采用鐵氧體永磁型永磁磁阻同步電機，由于不使用稀土永磁材料，電機材料成本僅為傳統稀土永磁同步電機的35%。

關鍵詞：永磁磁阻同步電機混合永磁型單一永磁型材料成本

0引言

稀土永磁型同步電機以其高功率密度和高效率的優秀性能，在諸如電動汽車驅動系統等高端應用領域得到了較好的應用[1]。大量使用稀土永磁材料使得稀土永磁型電機的材料成本居高不下，在對成本敏感的應用領域中推廣受限[2]。稀土材料價格波動大，不利于電機制造企業進行長期的成本控制，進一步限制了稀土永磁型電機的推廣[3]。

在探索降低電機材料成本的過程中，永磁磁阻同步電機因其低廉的材料成本和良好的性能得到了國內外研究機構和制造企業的廣泛關注[4]。鐵氧體永磁材料代替了稀土永磁材料，電機的材料成本得到了大幅度降低。美國得克薩斯州T&M大學的Hamid A. Toilyat課題組對一臺三層磁障式鐵氧體永磁型電機的磁障數量、位置和形狀進行了研究，提出了用轉子鐵芯“絕緣率”的指標來指導該種電機的設計[5]。日本大阪大學的Shigeo Morimoto課題組通過研究永磁體用量，對永磁磁阻電機的效率和調速范圍進行了優化設計[6]。意大利帕多瓦大學Bianchi Nicola課題組與澳大利亞阿德萊德大學Wen L. Soong課題組聯合對多層磁障式永磁磁阻同步電機進行了研究，研究發現通過合理的選取永磁用量，可以使電機的功率密度、功率因數和調速范圍得到優化[7]。東南大學林明耀教授課題組對磁障式永磁磁阻同步電機的不可逆退磁特性進行了研究，并提出了一種提高永磁磁阻同步電機抗不可逆退磁性能的轉子結構[8]，通過改進磁障形狀和位置，提高了永磁磁阻同步電機的轉矩密度[9]。上述研究均基于單一鐵氧體永磁型電機展開，電機性能不能達到稀土永磁型的等級，且未見針對電機材料成本進行詳細分析的報道。

本文對稀土永磁型、混合永磁型和鐵氧體永磁型電機的材料成本進行了詳細的分析，從電機平均輸出轉矩、轉矩脈動和轉矩構成的角度對比了三種電機的性能和材料成本，給出了三種電機的設計原則和適用場合。

（a）稀土永磁型

（b）混合永磁型

（c）鐵氧體永磁型 圖1 永磁體拓撲結構 Fig.1 Topologies of the permanent magnet in the rotor 1永磁體拓撲結構 稀土永磁型、混合永磁型和鐵氧體永磁型電機的轉子拓撲結構如圖1所示。混合永磁型和鐵氧體永磁型永磁磁阻同步電機的轉子鐵芯中沿徑向設置有兩層U型磁障，磁障中嵌有永磁體，周向相鄰磁障中的永磁體極性相反。混合永磁型在U型磁障的底部嵌入稀土永磁體，側翼中嵌入鐵氧體永磁，兩種永磁體的磁路為并聯結構。鐵氧體永磁型在U型磁障中全部嵌入單一的鐵氧體永磁，為增大永磁磁通和提高永磁體工作點，U型磁障底部厚度相比混合永磁型有所加大。 表1給出了兩種電機的結構參數和性能指標，混合永磁型和鐵氧體永磁型的額定功率分別為3kW和2.2kW。 表1 電機的設計參數與性能指標 Tab.1The parameters of the electric machines

2材料成本對比 圖2給出了各種電機的材料成本對比柱狀圖，可以看出，混合永磁型永磁磁阻同步電機相比傳統稀土永磁同步電機的材料成本大幅降低，其中稀土永磁材料的用量下降達50%，材料總成本可降低30%。鐵氧體永磁型電機無需稀土永磁材料，材料成本最低，分別為傳統稀土永磁型和混合永磁型的35%和50%。

圖2 電機材料成本對比 Fig.2 Comparisons of the material costs 傳統稀土永磁同步電機和混合永磁型永磁磁阻同步電機的主要材料成本依然來自稀土永磁材料，銅和鐵的成本基本相當。如圖3所示，相比傳統稀土永磁型電機，銅和鐵在混合永磁型電機中的占比提高，分別為22%和23%。在鐵氧體永磁型電機中，銅和鐵的成本在材料總成本中的占比均超過了40%，為主要材料成本。 銅和鐵材料成本比重的提高，意味著在永磁磁阻同步電機中的設計中應合理平衡電負荷與磁負荷，以獲得成本低廉和性能優異的設計方案。

（a）稀土永磁型

（b）混合永磁型

（c）鐵氧體永磁型 圖3 電機材料成本構成分析 Fig.3 Components of the material costs 3電機性能對比 為比較各種電機的性能，對電機的平均輸出轉矩和轉矩脈動進行分析與對比。為便于對比，三種類型的電機外徑和鐵芯軸向長度均相等，具體參數如表1所示。

3.1平均輸出轉矩

在電樞繞組中通入有效值為16A的三相正弦電流，按照最大轉矩電流比控制策略分配電流角度，稀土永磁型、混合永磁型和鐵氧體永磁型的電流角度分別為9°、27°和39°。 三種電機的輸出轉矩波形如圖4所示，混合永磁型電機的平均輸出轉矩與稀土永磁型電機的相等，均為4.8Nm。根據前面的材料成本分析，在混合永磁型和稀土永磁型電機轉矩密度和功率密度均相等的情況下，前者材料總成本僅為后者的70%。鐵氧體永磁型電機的平均輸出轉矩為3.6Nm，為混合永磁型和稀土永磁型的73%。

圖4 輸出轉矩波形 Fig.4 Waveform of the output torque 最大轉矩電流比控制策略充分利用了電機的永磁轉矩與磁阻轉矩，三種類型電機輸出轉矩的構成如圖5所示。稀土永磁型電機的輸出轉矩絕大部分為稀土永磁轉矩，磁阻轉矩僅占12%。稀土永磁型電機大量使用稀土材料，永磁轉矩大，磁阻轉矩比例小。除此以外，由于永磁轉矩分量較大，最大輸出轉矩電流角與磁阻轉矩最大電流角相差較大，并未充分利用磁阻轉矩分量，這為進一步開發電機磁阻轉矩和減小稀土永磁用量提供了條件。混合永磁型電機的輸出轉矩平均值與稀土永磁型相等，成分更豐富，由稀土永磁轉矩、鐵氧體永磁轉矩和磁阻轉矩三部分組成，三部分的大小基本相等，各占輸出轉矩平均值的1/3。根據表1的尺寸數據可以得到，稀土永磁材料和鐵氧體永磁材料的體積比例為1:4時，可以獲得11的轉矩構成。

圖5輸出轉矩的構成成分 Fig.5 Components of the output torque

3.2轉矩脈動

從圖4所示的輸出轉矩波形可以得到三種電機的轉矩脈動值，稀土永磁型為0.7Nm，混合永磁型為0.9Nm，鐵氧體永磁型為1.3Nm。 隨著輸出轉矩中磁阻轉矩分量的增加，轉矩脈動隨之增大。為獲取磁阻轉矩，轉子鐵芯中開有大量磁障通槽，在提高了電機凸極比的同時也使得氣隙周圍磁阻分布不均，引起了大量磁動勢諧波，導致輸出轉矩脈動增大。 4結論 本文介紹了稀土永磁型同步電機、混合永磁型和鐵氧體永磁型永磁磁阻同步電機的拓撲結構，分析了三種類型電機的性能與材料成本。通過對比電機的平均輸出轉矩、轉矩脈動和轉矩構成成分可以得到結論，混合永磁型永磁磁阻同步電機能夠以稀土永磁型電機70%的材料成本達到相同的轉矩和功率密度，鐵氧體永磁型電機僅以稀土永磁型電機35%的材料成本可達到其73%的輸出性能。當稀土永磁和鐵氧體永磁用量為1:4時，混合永磁型永磁磁阻電機的輸出轉矩中稀土永磁轉矩、鐵氧體永磁轉矩和磁阻轉矩成分基本相等。在降低材料成本的同時，磁阻轉矩的引入使得電機的輸出轉矩脈動也隨之增加。