文章摘自電子發(fā)燒友媒體 作者李寧遠(yuǎn)
在低能效電機(jī)漸漸滿足不了各項需求的今天，高能效電機(jī)完成對低能效電機(jī)的替代已經(jīng)是大勢所趨，高能效電機(jī)也就是我們熟知的無刷直流（BLDC）與永磁同步（PMSM）電機(jī)。
永磁同步電機(jī)，PMSM，全稱permanent magnet synchronous motor，PMSM是高精度定速驅(qū)動的理想選擇，電機(jī)控制的本質(zhì)是控制轉(zhuǎn)速和扭矩，PMSM就是利用磁場產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。PMSM與BLDC二者最明顯的區(qū)別在反電勢上，我們可以將反電勢理解成電機(jī)的特征碼，通過確定反電勢的波形和大小，可以輕而易舉地區(qū)分電機(jī)類型與大小。因為BLDC與PMSM的定子繞組設(shè)計的差異，造成了兩種高能效電機(jī)的反電勢不同，這里就不展開了。永磁同步電機(jī)利用磁場產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，那自然離不開磁材料。根據(jù)磁材料對在磁場中的反應(yīng)，一般分為順磁性、抗磁性、反鐵磁性、鐵磁性以及亞鐵磁性。對永磁同步電機(jī)來說，這個磁性材料指的是鐵磁性以及亞鐵磁性材料，因為這兩種磁性材料對外磁場反應(yīng)強(qiáng)烈，始于強(qiáng)磁性材料。強(qiáng)磁性材料包括了永磁材料、軟磁材料以及功能性磁性材料。永磁的特性在于一經(jīng)磁化，很難退磁，而軟磁也容易磁化，但是磁化后容易退磁。對于永磁同步電機(jī)來說，其中用得較多就是永磁材料和軟磁材料。永磁材料作為磁源，提供磁動勢，就像電路中的電動勢，軟磁材料磁導(dǎo)率高，作為導(dǎo)磁材料，起傳導(dǎo)磁力線的作用。永磁材料目前的劃分有三大類，金屬永磁、鐵氧體永磁和稀土永磁，軟磁材料則有鐵氧體軟磁、金屬粉芯、金屬軟磁和非晶納米晶等。兩種磁材料的最不同的特征在于矯頑力不同。矯頑力的定義為使已磁化的磁材無法向外磁路提供能量（但磁體內(nèi)部仍具有一定能量）而必須施加的、與原磁化方向相反的外磁場強(qiáng)度，單位為Oe或A/m。簡單一點理解就是矯頑力越高，材料越不容易退磁。永磁材料的目標(biāo)是不斷追求更高的矯頑力，強(qiáng)化不退磁能力，軟磁則開始降低矯頑力，追求更高的磁導(dǎo)率。軟磁可以起到電能參數(shù)變換，提高磁性元件效率并節(jié)省空間的作用，目前作為各類電機(jī)、變壓器、繼電器、電感器、濾波器等元器件的磁芯應(yīng)用在新能源汽車、機(jī)器人、光伏等諸多領(lǐng)域。永磁材料因為其優(yōu)異的抗退磁能力，是制造各類電機(jī)的重要原材料。金屬永磁合金是第一代永磁材料，泛指不包括稀土金屬的Fe基和Co基的合金永磁體，第一代永磁材料的矯頑力大概在0.38-1.53kOe，一般應(yīng)用于電氣儀表等領(lǐng)域。以氧化鐵為主要原料的第二代永磁體盡管性能并非最優(yōu)，但是制備原材料儲量豐富，工藝簡單，成本也較低，極高的性價比讓它在各類電機(jī)中有著廣泛的應(yīng)用。到了稀土永磁材料，目前主要的稀土材料已經(jīng)從釤鈷永磁發(fā)展到燒結(jié)釹鐵硼。釤鈷永磁工作溫度高，耐腐蝕性好，磁性能也較為優(yōu)秀，但是因為其含有戰(zhàn)略化合元素鈷，因此性價比不高。燒結(jié)釹鐵硼是現(xiàn)在最熱門的稀土永磁材料，不管是磁性能、矯頑力還是磁能積。都有著遠(yuǎn)超其他材料的性能，在各類永磁電機(jī)里有著旺盛的需求。唯一的劣勢在于溫度穩(wěn)定性比較差，需要通過添加其他元素來改善溫度性能。
根據(jù)中國電子材料行業(yè)協(xié)會磁性材料分會的數(shù)據(jù)，釹鐵硼稀土永磁材料在汽車工業(yè)中應(yīng)用的占比最高，達(dá)到了49%。不僅是矯頑力上的差異，磁能積上的極大差異也意味著在單位磁場強(qiáng)度下釹鐵硼體積更小，這也非常有利于節(jié)省電機(jī)空間。尤其是高性能釹鐵硼磁材料（矯頑力與磁能積之和大于60），能大大減小電機(jī)體積，減輕電機(jī)質(zhì)量，縮小電機(jī)能量損耗并提高整個電機(jī)系統(tǒng)效率。近日，特斯拉宣布下一代永磁電機(jī)將完全不使用稀土材料，在永磁同步電機(jī)領(lǐng)域掀起了一陣熱議。拋開整個電動汽車永磁電機(jī)成本和產(chǎn)業(yè)鏈的因素，僅從技術(shù)可行性上來說，完全棄用稀土實現(xiàn)無稀土永磁電機(jī)，這條技術(shù)路線其實并不新鮮，這些年一直存在，眾多車企、電機(jī)廠商都在嘗試去除稀土在永磁電機(jī)的使用含量甚至不用，但這么多年進(jìn)展甚微。因為事實是其他永磁材料實現(xiàn)的永磁電機(jī)在各項性能上均不如稀土永磁，比如鐵氧體永磁電機(jī)。尤其是在汽車?yán)m(xù)航能力方面，使用磁強(qiáng)度更弱材料的電機(jī)需要額外消耗大量能量維持磁場強(qiáng)度，這勢必會大大減少續(xù)航能力。從強(qiáng)磁材料的性能來看，稀土磁材就是目前綜合性能就是遠(yuǎn)超其他永磁材料，完全棄用不可能在短時間內(nèi)找到相似的最優(yōu)解。即便是在研的第四代鐵氮永磁材料，也需要使用稀土，而且距離其商業(yè)化還有很長的距離。隨著科技的進(jìn)步，去稀土并非有一件不可能的事。但在目前全球磁材料沒有突破進(jìn)展的情況下，稀土磁材，尤其是高性能釹鐵硼磁材，在永磁電機(jī)里的應(yīng)用還沒有比它性價比更高的方案。
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