第1章 永磁同步电机/同步磁阻电机的机遇与挑战
托马斯 M 詹斯
2010～2014年，稀土材料金属钕和镝的价格发生了大幅波动，直接影响了高性能稀土(烧结钕铁硼(NdFeB))永磁同步电机的发展。因此，寻找其他结构形式的电机来取代稀土永磁同步电机成为科研人员研究的热点。本章对全书的主要内容进行简要介绍。*先，介绍几种替代稀土永磁同步电机的技术方案，如含少量钕铁硼的永磁同步电机、铁氧体永磁辅助同步磁阻电机以及没有使用任何永磁材料的同步磁阻电机。其次，简述这几种电机的发展历程，概述各自的技术创新之处和代表成果，着重指出各界学者前期已经开展的大量而丰富的基础研究，将对后续工作产生深远的影响。*后，通过比较分析，总结上述同步电机各自的优势和局限性，为后续章节的详细论述奠定必要的理论基础。
1.1引言
2010～2011年，世界范围内的稀土材料金属钕(Nd)价格飙升20倍以上，钕价格的暴涨使相关制造企业承受了巨大的市场压力。一些大型企业因此受到重创，有些资金不足的小型企业被迫停产。为了避免稀土材料价格急剧变化带来的市场冲击，自2010年起，研究人员提出用其他类型的电机代替稀土永磁同步电机，这也成为电机领域的新热点。对替代电机的要求是，既要有优异的性能，还要不受钕铁硼材料价格的影响。现阶段，替代电机的解决方案有两个主要方向：一是，与稀土永磁同步电机结构相似的其他同步电机；二是，与开关磁阻电机、感应电机等完全不同类型的高性能无刷电机。本书重点介绍**种解决方案的研究进展，并选择几种具有代表性的电机类型(如含永磁体、不含永磁体)进行详细介绍。
本章介绍在调速系统中广泛应用的各种由永磁体励磁转矩、磁阻转矩或二者相结合产生驱动力的同步电机。*先，指出使用稀土永磁材料可能存在的问题。然后，简述无励磁绕组同步电机的发展历程，并给出替代烧结钕铁硼永磁同步电机的解决方案。*后，比较前面提到的同步电机的优点和局限性，根据评价分析，给出合理选择替代电机的依据，以期改变稀土(高磁能积)永磁同步电机在高性能应用中的主导地位。
后续章节将陆续对各种替代电机进行研究，包括电机模型的建立与分析、电机的设计与控制。
1.2稀土永磁材料
从20世纪80年代开始，钕铁硼稀土永磁体的商业化进程对高性能永磁同步电机的成功研制产生了深远影响，近年来，稀土永磁同步电机广泛应用于乘用电动汽车、电梯、风力发电机等重要场合。由如图1.1所示的永磁同步电机常用永磁材料第二象限磁感应强度-磁场强度(B-H)磁化*线可知，烧结钕铁硼永磁体的剩磁Br和矫顽力Hc远高于其他稀土永磁材料—包括20世纪70年代占统治地位的钐钴(Sm2Co17)永磁体。钕铁硼永磁体的出现标志着永磁技术取得跨越式发展。
图1.1永磁同步电机常用永磁材料第二象限B-H磁化*线
(1)数据来源于MQ公司(MQ1、MQ2、MQ3为该公司的三代钕铁硼永磁体)；
(2)1Oe≈79.6A/m；(3)1G=0.0001T
尽管钕铁硼永磁体具有许多优异性能，但是钕铁硼永磁体与其他永磁材料(如钐钴永磁体)相比，居里温度较低，而居里温度低会导致绕组绝缘系统的极限温升受限，从而对温升要求严格的电机产生负面的影响。随即，材料学领域的学者研究发现，在钕铁硼中添加少量稀土元素镝(Dy)，可有效提高永磁体工作温度的范围，而且添加镝的量不同，会改变永磁体内禀矫顽力Hcj和剩磁Br。图1.2给出了镝含量变化对应永磁体的不同温度等级，从中可以看出，增加镝含量可有效提高永磁体的工作温度。
图1.2镝含量的增加对钕铁硼永磁体内禀矫顽力和剩磁的影响
HDD(hard disk drive，机械硬盘)；CD(compact disk，光盘)；DVD(digital versatile disc，数字通用光盘)；
M、H、SH、UH、EH、AH为钕铁硼磁铁牌号
由图1.2中可知，当镝含量从0%增加到10%以上时，钕铁硼永磁体*高的有效工作温度呈单调递增趋势。虽然增加镝含量在一定程度上提高了工作温度，但镝比钕更加稀有、昂贵，因此永磁体成本会随镝含量的增加而大幅上升。实际上，每千克镝的价格通常比钕贵7～8倍，这就意味着即使钕铁硼永磁体中镝的占比很小，也会大幅增加永磁材料的*终制造成本。
问世之初，钕铁硼永磁体非常昂贵，直到20世纪90年代末至21世纪初期，中国对钕铁硼永磁体价格的下调起了至关重要的作用。这主要源于中国稀土材料储量远大于其他国家，中国的永磁体生产商已成为全球主要的钕铁硼永磁体制造商，中国企业的介入稳定了钕铁硼永磁体市场的价格。图1.3为在市场等众多因素的综合影响下，2009～2014年钕和镝的价格波动情况。从图中可以看出，2009年初至2011年中期，钕和镝的价格分别上涨了25倍和22倍左右，在价格达到顶点后，又开始大幅下降，基本回落到上涨前的水平。
图1.32009～2014年钕和镝的价格波动情况
正如前面所述，随着永磁同步电机对永磁材料需求量的增加，相关的电机制造商对钕、镝材料的依赖度越来越高，价格的剧烈飙升对永磁同步电机制造商造成了巨大的经济压力和经营风险。
1.3同步电机及其驱动控制技术
1.3.1永磁同步电机
在转子上加装永磁体设计电动机和发电机的想法*早出现在20世纪初。然而，直到高剩磁和高矫顽力的永磁材料出现，才真正实现永磁同步电机的商业化生产。
在电机永磁材料中，*早被发现并广泛关注的永磁材料是钴钢，它具有较高的剩磁，磁能积约为1MG Oe，在20世纪20年代*次实现了商业化生产。但是，和其他早期的永磁材料一样，矫顽力低使得电机在实际设计中存在诸多困难。1925年Watson给出了两台永磁同步电机的设计原型机[1]，如图1.4所示。
图1.4永磁同步电机结构及钴钢永磁同步电机设计原型机
图1.4(a)是矿用表贴式永磁无刷交流发电机，图1.4(b)和(c)是用于飞机“magneto”点火交流发电机的内嵌式永磁(interior permanent magnet，IPM)同步电机。
在随后的几十年间，铝镍钴(AlNiCo)技术逐步发展，永磁材料的性能得到不断改善。1931～1960年，经过三十年的发展，永磁材料磁能积达到10MG Oe。
虽然受铝镍钴材料矫顽力较低的制约，电机设计工程师仍然克服困难设计出高性能永磁同步电机。图?1.5?是另一个内嵌式永磁同步电机的设计实例[2]，该电机为28极75kV A永磁同步交流发电机，设计转速为1714r/min，频率为?400Hz。该电机在转子铁心的极靴内嵌入永磁体，以抵消负载增大时定子电流产生的去磁磁势对电机的影响。
图1.5内嵌式永磁同步电机(75kV A、1714r/min、400Hz)
直接起动永磁同步电机的早期发展和商业化进程，归功于高性能铝镍钴磁性材料的使用，这类电机在转子中加装了起动绕组，使其同时具有感应电机和同步电机的特点。直接起动永磁同步电机的转子组件，如图1.6所示。
图1.6直接起动永磁同步电机的转子组件
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