新能源汽車用少稀土/無稀土盤式電機方案研究

摘" 要：少稀土/無稀土盤式電機產業化應用，是實現高效、節能的電機行業發展趨勢，其中提高永磁體性能、減少或避免永磁材料的使用已成為現今電機技術方案的熱點之一。該方案分析少稀土/無稀土盤式電機的3條路徑實施方案，使永磁驅動電機中稀土材料的用量（含輕、重稀土元素）較現有永磁徑向電機減少50%，且峰值轉矩密度較永磁徑向電機提升100%、無稀土盤式電機轉矩密度與現有徑向電機產品相當，從而降低盤式電機對稀土的依賴，實現技術的迭代。

關鍵詞：少稀土；無稀土；盤式電機；高效節能；新能源汽車

中圖分類號：TM351" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）11-0132-04

Abstract： The industrial application of less-rare-earth/no-rare-earth disc motor is the development trend of the motor industry to achieve high efficiency and energy conservation. Improving the performance of permanent magnets and reducing/avoiding the use of permanent magnet materials have become one of the hot spots in the current motor technology scheme. This scheme analyzes the three path implementation scheme of less-rare-earth/no-rare-earth disc motor， which reduces the consumption of rare-earth materials （including light and heavy rare-earth elements） in the permanent magnet drive motor by 50% compared with the existing permanent magnet radial motor， and improves the peak torque density by 100% compared with the permanent magnet radial motor， while the torque density of the rare-earth free disk motor is equivalent to the existing radial motor products， thus reducing the dependence of the disk motor on rare earth and achieving technology iteration.

Keywords： less-rare-earth; no-rare-earth; disc motor; high efficiency and energy saving; new energy vehicle

近年來，新能源汽車產銷呈現爆發式增長，而電機作為電動汽車核心“三電”部件之一，現今普遍采用永磁同步電機（集中度大于90%）以滿足車輛的空間與輕量化要求[1]。但是不可回避的問題是我國稀土資源快速流失，稀土開采對環境的破壞曠日持久，永磁同步電機所需稀土材料（尤其是重稀土）的用量與上游供給之間的矛盾，以及近些年來以鐠、釹、鏑和鋱為代表的稀土材料的價格劇烈波動，經濟上的不可持續性凸顯[2]，國外電機企業逐漸將少稀土或非稀土永磁同步電機、無永磁同步電機產品納入研發范疇。相對而言，國內電機企業對該領域的關注尚顯不足，極少見相關技術或產品發布，因此我們需要緊跟國際趨勢、盡快完成對高性能少稀土/無稀土車用電機的技術和產品布局，促進稀土產業的可持續發展。

1" 國內外研究現狀分析

我國稀土資源豐富，但如果一味依賴稀土永磁資源的優勢，我國的新能源汽車產業在未來競爭中遲早會面臨西方國家在環保問題上的技術壁壘，因此需警惕對“稀土永磁紅利”的依賴，提前布局前沿的電機設計技術、材料技術、先進制造加工技術和高精度加工設備，以應對未來西方發達國家利用其先進的少稀土/無稀土永磁電機技術路線來建立針對稀土永磁電機的技術壁壘。

高效、節能、少/無稀土電機將是未來行業的發展趨勢，其中提高永磁體性能、減少或避免永磁材料的使用已成為現今電機技術的熱點，國際知名的車企及研究機構都將無稀土驅動電機作為主流技術導向之一。日本豐田汽車公司通過在永磁材料中減少重稀土的使用，來實現少稀土目標，日本日產、德國寶馬等公司通過增加磁阻轉矩的利用，來減少稀土的用量；但以上2種技術路線并未徹底實現驅動電機的無稀土化，僅減少了稀土的用量。美國通用汽車公司、美國橡樹嶺國家重點實驗室研究了切向式無稀土電機，因該電機結構復雜，研究成果并未產業化應用。德國Mahle發布了一款集不同類型電機優勢于一體的新型無磁電機，此款產品無需稀土材料。這款電機的關鍵特性在于無接觸的感應式動力傳輸，這使得電機可以無磨損運行。電機內部旋轉部件與靜止部件之間的電能傳輸不發生接觸，因而不會產生磨損，可以做到電機免于維護，這樣的優勢讓應用范圍廣泛（圖1）。英國AEM公司的磁阻電機已取得一定的突破，其開發的HDSRM與SSRD等系列電機，技術關鍵在于進一步推動性能的改善及節約稀土永磁材料的使用，并提供了高達29 kW/L的功率密度。日本Nidec已經開發基于碳化硅的電機驅動系統，其成功地制造了世界上第一個使用無磁電動機驅動系統的概念模型與碳化硅逆變器的基礎上，使用開關磁阻電機作為驅動電機。

我國少稀土/無稀土永磁電機多用于航空航天領域的開關磁阻啟動/發電機系統、汽車工業的鍋輪增壓及驅動系統等，盤轂動力的盤式電機技術成熟，已廣泛應用于新能源汽車及工業領域，中豪電動的三相永磁同步盤式電機雖已量產，但未形成市場規模，磁雷革盤式電機、小象科技盤式電機僅限在工業領域應用，但少稀土/無稀土盤式電機因其散熱材料、結構強度和裝配精度等一系列技術難題，未進行產業化應用。

國外從事相關研究的情況詳見表1。

2" 研究目標及內容

車輛電動化成為不可逆的趨勢后，電機作為電動汽車核心“三電”部件之一，現今普遍采用永磁同步電機（集中度大于90%）以滿足車輛的空間與重量要求。但是不可回避的隱憂是永磁同步電機所需稀土材料的用量與上游供給之間的矛盾（圖2），這導致近來以鐠、釹、鏑和鋱為代表的稀土材料的價格劇烈變動，促使國內外電機企業逐漸將少稀土或非稀土永磁同步電機、無永磁同步電機產品納入研發范疇。

基于以上問題，針對少稀土/無稀土盤式電機的研究方案，主要就以下目標和內容開展。

1）晶界擴散和熱變形永磁體。目前市場的徑向牽引電機產品，已普遍采用內嵌式結構和晶界擴散永磁體，本方案將內嵌式結構和上述永磁體引入軸向磁通電機。在保證相同性能指標下，永磁體重稀土的用量預計較目前減少60%以上。

2）開關磁阻電機。開關磁阻電機雖問世多年，由于其在噪聲振動方面的劣勢一直未得到廣泛應用。但是隨著市場對非稀土同步電機的逐漸重視，開關磁阻電機又重獲重視。本方案計劃利用先進電磁和控制技術大幅度提升其噪聲振動性能，輔以高效冷卻和高性能材料技術提升其轉矩、功率密度，開發開關磁阻軸向磁通電機產品。

3）混合勵磁電機。混合勵磁技術是近些年全球科研的前沿熱點。基于現有電機產品，本方案計劃開發機械式和電磁式混合勵磁電機產品，進一步地結合開關磁通電機和混合勵磁技術研發盤式電機新構型，預計可減少稀土永磁體用量50%，同時提升電機調速性能。

4）高頻電機驅動控制。盤式電機比傳統徑向電機極數多，對控制器載頻及穩定性要求較高。為了降低電驅系統的故障率、優化性能，需要研發高頻電機逆變器及其控制算法。

通過開展以上內容研究，達成的目標及成果見表2。

3" 少稀土/無稀土盤式電機實施路徑簡述

本研究計劃分成3條路徑完成少稀土/無稀土盤式電機的開發，從而實現新能源汽車用驅動電機的要求，即高功率密度和高效率[3]。

1）路徑一，將少重稀土永磁體（如晶界擴散和熱變形永磁體等）和新型內嵌式拓撲結構引入軸向磁通電機，在保證相同性能指標下，永磁體重稀土的用量預計較目前產品減少50%以上，電機峰值轉矩密度可達到傳統永磁徑向電機的200%，功率密度由行業指標15 N·m/kg提高至25 N·m/kg。

2）路徑二，基于現有電機產品研發機械式和電磁式混合勵磁電機產品，預計可減少稀土永磁體用量50%、同時提升電機調速性能，電機峰值轉矩密度與傳統永磁徑向電機相當，重量減輕50%。

3）路徑三，開發開關磁阻軸向磁通電機產品，利用先進電磁和控制技術大幅度提升其噪聲振動性能，以優化拓撲結構、高效冷卻和高性能磁材料提升其轉矩密度，電機峰值轉矩密度與傳統永磁徑向電機相當，功率密度由行業指標7 N·m/kg提高至14 N·m/kg。

以上3種路徑的盤式電機，適配相應的控制器和控制算法，完成系統性能的測試標定。

4" 少稀土/無稀土盤式電機研究關鍵技術簡析

在新能源汽車產業的發展浪潮中，電池、電機和電控為新能源汽車的三大核心部件。在電機領域，盤式電機（又名“軸向磁通電機”）與現在廣泛使用的徑向磁通電機相比，因其在體積、重量和效率等方面的絕對優勢，一直被業內人士所看好。由于盤式電機技術在國內外產業化應用相對不成熟，對于電機的拓撲結構、材料選型、冷卻結構和動力系統耦合等方面存在挑戰和不確定性，本研究就該其中關鍵技術進行簡析。實施路徑如圖3所示。

1）高性能軟硬磁材料選型。通過Epstein方式測量無/有取向電工鋼帶和熱壓成形電機定子的電磁性能和損耗曲線，作為仿真設計輸入；對于少重稀土永磁材料（晶界擴散型永磁體、多主相型永磁體和熱變形制備永磁體等），擬通過供應商提供、第三方磁滯回線測量和簡易表磁測量結合的方式，獲取磁材電磁性能、損耗和溫度影響曲線，作為仿真設計輸入。

2）電磁分析設計[4]。建立靜態類電機電磁模型并制作樣品，驗證或校正電磁模型和建模方法；基于現有單轉子永磁表貼式電機結構，嘗試將永磁內嵌方式、長短磁路凸極轉子及磁通切換式拓撲結構應用于軸向磁通電機，建立磁路解析和有限元結合的電機仿真模型，先初步評估計算性能再利用粒子群、模擬退火等算法對電機參數進行敏感性評價與全局優化。

3）力學和熱場分析[5]。建立電機三維模型，采用有限元方法對關鍵部件的關鍵參數進行校核，如軸、轉子盤和殼體的強度、剛度等；設計實驗測定各材料、部件的導熱系數以及冷卻液對流換熱系數；基于實驗測定的導熱系數和電磁計算得到的電機各部分損耗，采用計算流體力學（CFD）進行磁-熱耦合仿真得到電機溫度場，初步確定溫度集中點及是否滿足電機溫升要求；由電機模型建立熱網絡模型，分析影響各點散熱的主要因素，對電機冷卻系統進行合理的改進與優化。

4）樣機試制。針對盤式電機的特殊性，研究適配各種拓撲結構的最優鐵芯成型工藝（如沖卷、疊壓和拼合等）和繞組形式（如連繞圓銅線、預緊圓銅線等），同時利用絕緣、固定和合裝工藝，完成樣機的制造。

5）高頻驅動控制研發[6]。由于盤式電機頻率一般在0.6～1.5 kHz，計劃研發適配于上述三類電機的高頻逆變主電路和用以控制高頻逆變主電路的主控電路，控制算法主要包括基于電流調節積分環節的磁鏈估計、基于功率閉環的ΔL估算、 最大線性調制電壓閉環穩態控制和基于外電壓環及電流補償控制。

6）系統性能測試。對上述3類電機和驅動逆變器系統，計劃參照GB/T 18488.2—2015《電動汽車用驅動電機系統—第2部分：試驗方法》從系統性能維度進行性能標定，包括系統外特性、系統效率分布、轉矩/轉速控制精度、轉矩響應時間、系統溫升、饋電特性、堵轉與超速、工作電壓范圍、電磁兼容性、系統絕緣等級和冷卻回路密封性等指標。

5" 結束語

通過上述研究內容和關鍵技術簡析，為新能源汽車用少稀土/無稀土盤式電機提出了開發路徑，同時，該盤式電機的應用將大幅提高電機的關鍵技術指標。基于路徑一的電機峰值轉矩密度可達傳統永磁徑向電機的200%，基于路徑二和三的電機峰值轉矩密度可與傳統永磁徑向電機水平相當，但重量減輕約50%，節約了成本，豐富了晶界擴散和熱變形等少重稀土永磁材料在盤式電機領域的應用。使盤式電機中稀土材料的用量（含輕、重稀土元素）較現有永磁徑向電機減少50%且峰值轉矩密度較永磁徑向電機提升100%、無稀土軸向磁通電機峰值轉矩密度與現有徑向電機產品相當，并實現臺架測試和裝車試用。

參考文獻：

[1] 陳進華.稀土永磁電機發展與應用[J].硅谷，2015，8（3）：73-74.

[2] GWENDOLYN B，NABEEL M，KAREL V A.Sustain-ability of Permanent Rare Earth Magnet in （H） EV Industry[J]. Springer International Publishing， 2017，3（3）.

[3] 閆大偉，陳世元.電動汽車驅動電機性能比較[J].汽車電器， 2004（2）：4-6.

[4] 金良寬，徐松，譚磊鑫.新能源汽車用軸向磁通電機設計與分析[J].微電機，2020，53（5）：10-14.

[5] 張方強.增程式電動汽車動力系統參數匹配與仿真優化研究[D].杭州：浙江大學，2017.

[6] 李征.電動汽車驅動電機選配方法[J].天津汽車，2007（2）：16-18.