稀土永磁電機(jī)具有功率/轉(zhuǎn)矩密度高的特點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。但是，隨著稀土永磁體價(jià)格的不斷升高，無稀土或少稀土永磁電機(jī)成為未來的發(fā)展趨勢，特斯拉也提出下一代永磁電機(jī)將完全不使用稀土材料。但就目前永磁電機(jī)的發(fā)展來看，特斯拉的“下一代永磁電機(jī)”還遙遙無期，但是少稀土永磁電機(jī)已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)。今天小編給大家介紹一種少稀土內(nèi)置式永磁電機(jī)。
為了便于理解“少稀土內(nèi)置式永磁電機(jī)”的特點(diǎn)，首先介紹兩個(gè)基礎(chǔ)知識。 （1）“少稀土”永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)思路是采用一種或多種低磁性能的非稀土永磁材料（如鐵氧體）來代替部分稀土永磁材料（如釹鐵硼），以減少稀土永磁體的用量。因?yàn)榉窍⊥劣来挪牧系某C頑力（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寬度和厚度對磁性能進(jìn)行補(bǔ)償。 （2）內(nèi)置式永磁電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩包括電磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩兩部分組成。其中，電磁轉(zhuǎn)矩主要與永磁磁鏈有關(guān)，一般來講，定子結(jié)構(gòu)和繞組匝數(shù)一定時(shí)，空載氣隙磁密越高，永磁磁鏈越大；而磁阻轉(zhuǎn)矩與交、直軸磁阻的差值有關(guān)，因?yàn)橛来朋w的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于鐵心材料，所以徑向永磁體越厚，交、直軸磁阻差值越大。由上面基礎(chǔ)知識可知，若將傳統(tǒng)內(nèi)置式稀土永磁電機(jī)中的部分釹鐵硼替換為磁性能較差的鐵氧體。雖然鐵氧體的磁性能遠(yuǎn)低于釹鐵硼，但可以通過增加鐵氧體的厚度與寬度，來保證“少稀土”電機(jī)的永磁磁鏈盡可能接近釹鐵硼電機(jī)。此外，增加鐵氧體的厚度會增加電機(jī)的交、直軸磁阻差值，進(jìn)而增加電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩。這兩點(diǎn)為“少稀土”電機(jī)的實(shí)現(xiàn)提供可能性。 目標(biāo)：通過改變轉(zhuǎn)子的永磁體材料和永磁體排列方式，設(shè)計(jì)一臺“少稀土”永磁電機(jī)來替代稀土永磁電機(jī)——CAMRY2007，如圖1a所示。設(shè)計(jì)思路：將CAMRY的V型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)改為U型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。其中，兩側(cè)永磁體仍采用厚度相同的的釹鐵硼永磁材料，而中間一字型永磁體替換為厚度更大的鐵氧體永磁材料。具體實(shí)施方法：兩種電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示，其中CAMRY2007中釹鐵硼的寬度為19.1mm，厚度為6.6mm。少稀土永磁電機(jī)釹鐵硼寬度為13.4mm，厚度為6.6mm；鐵氧體的寬度為18.4mm，厚度為12mm。兩臺電機(jī)轉(zhuǎn)子的其他參數(shù)如表1所示。少稀土永磁電機(jī)的氣隙磁密基波幅值要低于稀土永磁電機(jī)，因此少稀土永磁電機(jī)的空載反電勢也要低于稀土永磁電機(jī)，如圖4所示。然而，少稀土永磁電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩并沒有而降低，兩種電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩近似相等，如圖5所示。這是因?yàn)?，少稀土永磁電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩雖有降低，但隨著鐵氧體厚度的增加，電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩也隨之增加，兩種轉(zhuǎn)矩互相補(bǔ)償，電機(jī)總的輸出轉(zhuǎn)矩保持不變。兩臺電機(jī)在不同電流下轉(zhuǎn)矩組成如圖6所示。圖六中，柱狀圖的上部是磁阻轉(zhuǎn)矩，下部為電磁轉(zhuǎn)矩，左側(cè)為稀土永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩，右側(cè)為少稀土永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩。電機(jī)總的性能價(jià)格參數(shù)如表2所示。從2表中可以看出，少稀土永磁電機(jī)只用了70%的稀土永磁材料，就能夠達(dá)到CAMRY2007稀土永磁電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，而成本僅為原來的80%，降低了材料成本。總結(jié)：少稀土內(nèi)置式永磁電機(jī)能夠在保證輸出轉(zhuǎn)矩的條件下，降低電機(jī)的永磁材料的生產(chǎn)成本，將會成為未來永磁電機(jī)的發(fā)展方向。參考文獻(xiàn) [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.
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