近年来，采用钕铁硼永磁材料的内置式永磁电机因功率密度高、弱磁性能好，结构紧凑等优点，作为驱动电机在电动汽车领域应用广泛。然而，钕铁硼永磁体价格昂贵，在保证电机性能的前提下，降低永磁体材料成本是电动汽车用永磁电机的发展方向。
为此，日本学者Ren Tsunata等人针对丰田Freed混合动力汽车用的钕铁硼永磁电机，提出一款平替的双定子单转子轴向磁通永磁（AFPM）电机[1]。新提出的AFPM电机采用铁氧体永磁体，能够在相同外形尺寸下，保证相同的电机性能，甚至更高的效率。
丰田Freed混动汽车用内置V型永磁电机如图1所示。定转子采用硅钢片，永磁材料为钕铁硼，绕组采用扁线绕组，槽满率近似70%。
该电机的基本参数如表1所示。
所提出的双定单转轴向磁通永磁电机结构如图1所示。定子采用软磁复合材料（SMC，绿色），绕组采用散绕组（黄铜色），槽满率接近50%，转子由不锈钢转子支架（灰色）、铁氧体永磁材料（黑色）和碳纤维保护套（黄色）组成。
所提出电机的主要由以下三大亮点，能够保证在相同尺寸约束条件下，全部采用铁氧体永磁材料时保证相同的电磁性能。
亮点一：新型转子结构以增加铁氧体用量。
所提出的新型转子结构如图3所示，与传统盘式电机相比，新型转子结构去除了永磁体外围的不锈钢挡板，并在该位置增添永磁材料以增加总的铁氧体用量。
亮点二：增大定子齿冠面积以更好地获取永磁磁通。
所提出的定子齿冠如图4所示，图中红色为永磁体，蓝色为定子齿冠。定子齿冠的内外径与增加尺寸后永磁体的内外径保持一致。
亮点三：散绕组便于增加并绕根数以减小线径和交流铜耗。
丰田Freed电机的扁线绕组与所提出的AFPM电机不同并绕根数的散线绕组参数如表2所示，左侧为提出的AFPM电机，右侧为丰田Freed电机。他们在最大功率、最大转速运行时的交流铜耗如图5所示，散线绕组能大幅降低绕组的交流铜耗。
电机对比
对比一：永磁体用量对比
两种电机的永磁材料磁性能、总用量以及总成本如表3所示，左侧为钕铁硼，右侧为铁氧体。铁氧体的磁性能略超过钕铁硼的1/3，但铁氧体的总体积近似钕铁硼的5倍，以达到相近的电磁性能。尽管铁氧体用的更多，但成本仅为钕铁硼的11%，极大程度地降低电机成本。
对比二：电磁性能对比
所提出的电机采用11根并绕，与该混动汽车用钕铁硼电机进行对比，电机外特性曲线如图6所示。图中连续曲线为钕铁硼电机，离散点为铁氧体电机。所提出的铁氧体电机能够达到相同的电磁性能。
对比三：效率对比
所提出的电机采用11根并绕，与丰田Freed径向电机进行对比，电机效率如表4所示。除了工作点（1）和（4）外，所提出的铁氧体电机在其他工作点效率更高，这表明所提出电机在高速、大转矩、大功率的条件下，效率都要高于该款钕铁硼永磁电机。
总结：在相同尺寸约束条件下，日本学者提出的这款双定子单转子用轴向磁通永磁电机，在增加铁氧体的用量同时，降低电机总的涡流损耗，最终实现对钕铁硼永磁电机的平替，显著降低永磁体的材料成本，为以后低成本电动汽车用永磁电机提供参考。
转载自微信公众号：电机博士生笔记