永磁铁氧体电机（先进电机设计路线--铁氧体应用）

作者：核动力蜗牛、转载自微信公众号《电机产品技术前哨》

前言

“降本增效”对于我们搞电机产品的的也是一个古老而又永恒的话题。在当前严峻的市场形势及原材料的不断上涨形势下，只有技术的创新、成本的降低才是立足于市场的根本。

高性能稀土永磁材料由于上游原材料管控影响，产量受到抑制且成本升高，而铁氧体凭借高性价比优势将会获得更大发展空间。各国尤其是稀土资源储备缺乏的国家，都在研究可以替代稀土材料的高性能永磁电机或者能够较少地使用稀土材料。铁氧体永磁电机无疑是其中热点之一。

本期我们就沿着铁氧体电机应用以及设计中的一些关键技术，并以案例的展现形式带大家一起解读下铁氧体电机的无限的可能性。

01 铁氧体电机的认知

铁氧体一般可分为软磁铁氧体和硬磁铁氧体两种。谈及它的应用举个最简单的例子，我们拆开传统收音机，里面的那个喇叭磁铁，就是铁氧体的。铁氧体的磁性能不高，目前磁能积只能做到4MGOe稍微高一些（大概钕铁硼的十分之一）。这种材料有个最大的优点，就是价格低廉。一方面原材料丰富，无稀土材料价格较低，另外一方面加工成本也较低，加工性能也与陶瓷类似，铁氧体磁铁都是模具成形，烧结出来的。若需加工，也只有进行简单的切割磨削，成品不需要进行电镀等表面处理或者涂装。 很多厂家会有现成的常规形状和尺寸的圆环，方块等标准产品可供选择，这进一步降低了成本。

从我们电机的角度可以看出铁氧体材料可以很好地解决了永磁电机现在的应用困境（高温退磁 成本较高）。目前国内白色家电应用的电机中已经有部分已经在批量生产铁氧体的电机，采取的是应用大量的铁氧体材料来弥补性能不足策略（后面会详细的介绍）。而在 高性能需求的行业铁氧体电机仍在探索和小批量应用阶段，未能大量普及的原因在于一些关键技术尚未突破。

02 铁氧体电机设计的关键技术

相比于稀土永磁同步电机，铁氧体永磁同步电机具有高抗退磁（高温）以及低成本的优势，但是剩磁密度较小使得电机气隙磁密偏低，进而产生永磁转矩不足等问题。因此怎么解决转矩密度低的同时又能节省大量的成本成为了必须要面对的关键问题。

有两种路线来解决上述问题。一种是通过内置式永磁体或切向的磁通等方式来获得有较大的气隙磁密。因为这种转子磁路结构下电机每一极的磁通由相邻两个永磁体并联提供，这样电机的每极磁通会增大。很好的弥补了铁氧体材料剩磁密度小的缺点，在电机归类上属于IPM电机。

另外一种路线是利用IPM转子结构增大电机的凸极比，从而增大了电机的磁阻转矩，利用电机的磁阻转矩来弥补电机永磁转矩的不足。在电机归类上属于永磁助磁同步磁阻电机。下面我们就列举几个经典的案例带大家一起聊下铁氧体电机如何利用这些手段来改善性能。

Cas1降成本提功率密度

这是一种多层U型转子结构，既可以有效的提高电机的磁阻转矩，又可以在转子的磁障空隙处添加铁氧体永磁体，形成永磁辅助磁阻电机，进一步提高电机的输出功率和功率密度。同时，系统采用液体冷却系统，并实施螺旋腔铝制外壳，可以进一步的系统层面提升功率密度。此外，更高的层面上讲，案例使用转子堆栈形式的铁氧体永磁体，并且合理地采用多层布置，增加了扭矩和功率密度同时更好地保护他们免受高负载和三相短路等故障突然退磁的影响。并且本案例还采用了尺寸一致永磁体可以进一步地降低铁氧体的成本。本案例应用是针对车用驱动电机进行设计优化，整个系统可以较原始的永磁电机的物料成本节省20%左右（性能不变）。

Cas2 宽运行区间高抗退磁

这是一种IPM切向磁极结构，有两种类型，一种是普通结构，改进型是将一块大磁钢分裂成两块小磁钢。改进型转子结构会使电机的铁耗稍有增加，使得改进电机的效率比传统切向式电机略有下降，但由于其提高了电机的直轴电感与凸极比，提升了电机的磁阻转矩，改进型结构电机的运行范围和退磁方面都有更好的表现。

这种改进型的电机的输出功率可以媲美稀土永磁电机。首先电机的直轴电感及交直轴电感的差得到了显著的提升，明显的改善了传统切向式结构导致的氧体电机直轴电感低和磁阻转矩减小的缺点，从而提升了转矩密度和调速范围。同时，的转子结构一方面大幅度提升了铁氧体电机的抗退磁特性（磁场）。另一方面，铁氧体电机本身可以在较高的温度下正常的运行， 相对于稀土永磁同步电机高温可靠性有较大的提高。

Cas3 高功率密度高抗退磁

这是一种S-R-S轴向磁场盘式电机架构，这种电机具有分割式的转子结构，其中包含了铁氧体永磁部分和软磁复合材料部分，并且没有转子轭(rotor back yoke)。这种独特的转子结构即可以有效地利用磁阻转矩，弥补的永磁转矩，又利用盘式电机磁钢用量多的特点，提升永磁转矩，两两相加使得转矩密度极大提升。同时，这种特殊的结构使得较少的弱磁磁通直接进入铁氧体永磁体中，所以铁氧体永磁体此时不会产生不可逆退磁。

当然了铁氧体电机的应用设计以及设计技巧举不胜举，很多应用的前景值得我们去探索开发。同时，铁氧体电机的设计也存在很多技术壁垒，比如高磁阻带来的转矩波动问题、剩磁低带来的较窄运行区间等都值得我们去挑战。我们还需要深入学习铁氧体电机背后的核心技术以及解决方案。

03 铁氧体电机设计的设计挑战

利用多用磁材和磁阻转矩可以有效提高扭矩密度，但也会产生很多副作用，衍生了很多挑战，包括：转矩波动、宽运行区间以及高可靠性和功率密度等问题。相对应的解决技术手段如下图所示，我们用案例一一为大家说明这些问题的解决方案。

• 转矩波动问题

对于内置的铁氧体同步电机来讲，电机的转矩波动也是由三部分组成，齿槽转矩、纹波转矩、凸极转矩。对于铁氧体同步电机而言，凸极转矩的占比较大而且主要和转子结构相关。谈及主要的抑制方式主要有三个层面，定子侧、转子侧、控制端。

上图描述了一种新型的具有不对称槽孔的定子，并且该技术已经描述并分析了开槽位移的变化。转矩脉动的非对称FASRM比现有电机低18.5％。不对称槽口在减小扭矩波动方面，具有明显的优势。

上图阐述了一种转子侧采用非对称磁障结构技术。它介绍了一种更改磁障角度的方法。通过利用新颖的不对称转子结构，电机的转矩脉动可以在不减小转矩的情况下大大降低。用这种方法，可以消除几种低转矩谐波。除此之外通过有限元分析和理论分析，可以参数化找出磁通屏障的最佳角度。

• 高可靠性（抗退磁）

下图是一种磁钢可靠性增强的技术，这是一种带有新分段式的辐条型铁氧体电动机。电动机是基于IPM-BLDC型电动机为设计目标，并考虑电枢反作用引起退磁现象。通过仿真和实验，验证了新设计的电动机的输出特性几乎是与参考电动机一样。在价格方面具有足够的优越性。而且。通过一些技术手段调整磁钢摆放角度，降低了退磁风险。

另外，上一篇推文我们介绍了高速、超高速的应用前景广阔，但同时也带来了 散热以及高可靠性等难点。有人利用铁氧体的高温抗退磁退磁 低成本的优点 制造了一台3 kW和30000rpm 铁氧体高速电机，并与 SmCo永磁高速电机进行对标。 在使用 有限元方法和实验验证法比较结果表面：性能可以完全地替换。

• 高功率密度及宽的运行区间

下图介绍了一种辐条 一字复合型转子结构名称叫F-TPMSM。利用磁阻辐条型转子可以获得尽可能宽的铁氧体磁体的表面积，同时，并且采用分开的转子铁芯结构以减少磁通量的端部漏磁。利用一字结构辅助，既可以提高磁阻转矩也增强调速范围，实现宽高速区间运行。方案验证的结果显示：即使铁氧体磁势大约为稀土磁体磁势的三分之一，F-TPMSM也可以产生相当于普通永磁电机性能的90％ 恒定输出功率范围。

上一个案例的思路就是：复合使用稀土材料和铁氧体材料构成混合磁通结构，电机不仅可以实现永磁电机的性能，还能够减少稀土消耗来达到材料低成本优势。下图是另外一个相同思路的案例。但这种复杂结构，优化变量多，往往需要采用多目标优化技术来设计。

04 设计层面的解决方案

从上述案例可知，高性能铁氧体电机设计的变量、目标等要素复杂性明显提高， 简单参数化设计使得计算过程特别漫长。另一方面，产品的需求越来越严格，振动噪音、功率密度、成本、效率往往又是相互制约的矛盾体。想要设计优化出最佳的电机性能，传统的设计方式以及设计软件已经满足不了当前复杂的电机拓扑结构形式。 国外技术动态特别是美国DOE主导的项目显示： 先进的优化策略和优化算法是解决这类复杂电机设计问题的关键。下图是一个高速铁氧体电机的设计流程，且核心在于多目标优化。

05 总结

总的来说铁氧体电机是一种前景广泛，技术挑战难度高的应用。随着电动机向小型化、轻薄化、低噪声和低成本的发展，不断开发新型结构电机，采用新型磁体等，势必会带来铁氧体永磁电动机的发展机遇。另外，由于某些应用的工作环境恶劣，面对高温、尘埃、盐雾潮湿，只有铁氧体磁体适用。但是，由于高性能驱动对磁体性能、矫顽力、剩磁的要求都比较高。为了克服高功率密度等门槛， 铁氧体磁材和电机设计应用 技术需要进一步发展。我们相信随着新一轮成本竞争主导市场体系的到来，铁氧体电机的应用拓展势必会迎来新的机遇。

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