无稀土磁铁电动汽车牵引电机的研发

自1997年丰田普锐斯（Toyota Prius）上市以来，混合动力电动汽车（HEV）成为主流，在汽车牵引电机中使用稀土磁铁已成为普遍现象。特别是稀土磁性材料钕铁硼（NdFeB），由于具有显著的性能优势，使得紧凑型、扭矩和功率密集型电力牵引电机的开发成为可能。随着诸如日产聆风（Nissan Leaf）等大众市场电池电动汽车（BEV）进入市场，这种趋势继续存在。然而，由于对供应安全的地缘政治担忧，2011-2012年这些材料的价格大幅上涨。虽然价格最近已恢复到接近历史水平，但各国政府和许多混合动力和电动汽车制造商仍然担心这一问题，还对这些材料的环境可持续性提出了疑问，这进一步鼓励用户考虑替代方案。

钕铁硼磁体和电力牵引电动机

1983年住友特种金属（Sumitomo Special Metals）获得烧结钕铁硼（NdFeb）磁性材料专利，使得其在电机性能方面产生了阶跃变化。钕是被称为轻稀土元素（LREE）的材料家族的一员，其他元素包括镧（用于光学）和钐（也用于磁性材料），这些元素使得钕铁硼磁铁能提供较高的性能水平，它们的最大能量产品相比，见下图，明显高于其他磁性材料。NdFeB磁铁在高环境温度下工作的一个关键因素是镝，这一种稀土元素（hre）被添加到NdFeB中，能增加磁铁的高温矫顽力（耐退磁能力），大约100°C。这对于在高功率密度应用中（如车辆牵引）使用这些磁铁至关重要。在电动牵引电机中，NdFeB磁铁允许以很小的体积产生非常强的磁场。

电机中稀土磁铁的替代品

磁铁制造商正在寻求降低磁铁的稀土含量，同时保持或提高其性能。日立金属公司（Hitachi Metals）就是一个例子。据报道，与传统的NdFeB材料相比，该公司开发出的磁铁可降低镝含量，但不会降低其高温矫顽力。这种磁铁是使用一种新工艺制造的，该工艺涉及到镝在磁铁材料中的扩散，而不是直接合金化。其他厂商正试图将磁铁中的颗粒尺寸减小到纳米级，在保证性能情况下，减少稀土的用量。

第二个领域是利用回收的稀土材料，计算机硬盘驱动器多年来一直使用含钕和镝的稀土磁铁。据报告，这些材料的价值高达数十亿美元，正在研究回收这些材料的技术，但是，人们对此类回收磁性材料的质量和重复性存在担忧。

在电机设计方面，使用较少的稀土磁性材料同时产生高转矩密度，已经做了大量的工作。在这方面最成功的方法集中在混合电机技术的使用上，在“凸极”转子结构中镶嵌少量磁性材料。宝马i3电动汽车采用了这种电机技术的一个例子，它采用了一种高度突出的转子拓扑结构，从1千克磁铁中产生250牛米的扭矩和125千瓦的功率。

其他磁性材料

铝镍钴（Alnico）是在20世纪30年代发展起来的，尽管这些磁铁提供高剩余磁通密度，它们的矫顽力非常低，因此退磁的高风险，使它们不具有吸引力，仅用于高功率密度电机。美国艾姆斯大学的研究人员正致力于改善这些材料的矫顽力。

钐钴（smco）磁铁是在20世纪70年代开发的，并经常用于航空航天应用，它们具有吸引力，因为它们可以承受比NdFeb更高的温度，而不会发生退磁。然而，它们与钕铁硼磁铁一样或更贵，还含有稀土材料钐和昂贵的钴。

最后的选择可能是铁氧体磁铁，使用自20世纪50年代。这些是由氧化铁结合金属锶，钡或钴。为了增加残余磁通密度，TDK等公司成功地引入了大量镧，这也是一种稀土金属，但镧基铁氧体的成本仍然比NdFeB低很多。

软件系统的可用性，使得电机几何结构的快速优化在这方面非常重要，使得磁性材料在不降低电机性能的情况下最小化。然而，必须注意确保磁铁不受反向磁场的影响，这可能导致磁铁永久退磁。因此，设计必须确保在故障条件下引起的短路电流不会很高。

感应电机

感应电动机不含永磁材料，而是通过在电动机转子中的导体中感应电流来工作；这些电流反过来在转子中产生磁场，从而产生转矩。感应电机在其转子导体中会产生损耗，这会导致转子总损耗，通常比永磁电机高出两到三倍。高转子损耗是不可取的，因为旋转转子比静止定子更难冷却。

在实践中，这些高损耗不仅意味着这种类型的电机可能比其他选项效率低，在其运行中，它可能很快变得过热。可以通过控制临时执行功率的策略，使电机温度恢复到可接受的水平 。与常用的铝相比，可以通过使用铜转子保持架（特斯拉的做法，见下图）来实现改进。

线转子电动机

绕线转子的电机几乎是全世界所有发电的基础，在千兆瓦的功率水平下，它们提供极高的效率和可靠性。铜绕组代替了转子上的永磁体，用来建立磁场，并从机器的静止部分向这些旋转绕组提供电流。使用滑环将电流从电机的静止部分传递到转子的旋转部分，通过固定的碳刷在旋转的导电环上运行，安装在电机中为转子提供导电路径。然而，随着时间的推移和电刷磨损，滑环可能不可靠。碳刷磨损会导致电机积碳，从而导致电气故障。这种缺点可能通过使用基于无线能量传输的系统来克服，这类似于无线充电系统，现在通常用于为消费电子设备充电。然而，这些系统目前还不成熟，而且从本质上讲，效率可能较低。汽车制造商雷诺（Renault）与德国大陆集团（Continental）合作成功地将这种类型的发动机用于汽车，包括雷诺Fluence和雷诺Zoe。

磁阻电动机

所谓的磁阻原理产生转矩的电机，磁阻转矩的产生是基于磁通量寻求最小电阻路径的基本趋势，永磁体中产生的磁通量寻找钢材，因为这提供了一条“低磁阻”路径，使钢材可以沿着该路径流动。这种效应也可用于电机中。

同步磁阻电机，通常使用与感应电机非常相似的定子。该定子由一个变频器驱动，将正弦电流依次施加到一个电机相位，通常形成一个三相系统。电机的转子是突出的，在一个轴上提供低磁阻，在另一个轴上提供高磁阻，因此允许电机同步锁定在旋转定子磁场上。这些类型的机器具有非常高的效率潜力，ABB在2011年推出了一系列使用这种技术的非常高效的工业机器。这些机器有许多吸引人的地方；但是它们的转矩密度相对较低，这可能是电动汽车应用中的一个缺点吧！

开关磁阻电机使用一种微妙的不同机制产生转矩子，具有明显的高、低磁阻的分散区域。控制系统是由一种不太常见的形式的功率转换器提供的，称为不对称半桥转换器。转换器技术的不成熟和缺乏商业可用性一直是这些机器的缺点。然而，它们被证明是非常便宜的和强大的，能产生较好的扭矩密度。开关磁阻电机有产生高转矩脉动和噪音的倾向，这在现代和精制车辆中是不受欢迎的，但这些风险很可能可以通过电机结构、控制和系统设计来优化。

结论

稀土磁性材料钕铁硼是当今许多主要电池和混合动力电动汽车的牵引电机的基础，这些磁铁使电机的设计提供了极高的扭矩密度，使其紧凑和轻，同时也提供了高效率。但是，有许多理由表明，此技术可能无法提供最佳长期解决方案。特别是稀土磁铁价格昂贵，使电机的原材料成本增加了一倍或更多，但在采矿和精炼方面可能不太可持续。

在正常的车辆运行条件下，NdFeb电机的效率也可能不如所述的那样好，控制策略需要削弱磁铁的影响，允许更高的速度运行，但却是效率低下的根源。

雷诺和特斯拉已经分别采用绕线转子和感应电机技术，消除了稀土磁铁。这些技术和其他技术，尤其是开关磁阻电机和那些用低成本铁氧体代替稀土磁铁的技术，可能会成为未来更高性能牵引电机的基础。