稀土永磁同步电机
稀土永磁同步电机
在描述纯电动车的动力系统的时候，我们经常会听到永磁同步电机和交流异步电机的说法，而在出现频率上，永磁同步电机占据着绝大多数。它们之间到底有什么区别，又分别拥有哪些优缺点呢？本期新能......接下来具体说说
特斯拉：下一代永磁电机将不使用稀土！是不想被中国“卡脖子”？
放空炮？玩概念？还是剑指中国稀土供应，意图摆脱对中国稀土的强烈依赖，不想被中国“卡脖子”？
特斯拉刚刚放出话来：他们造的电动车上配置的下一代永磁电机将完全不使用稀土材料！
特斯拉宣传语：完全不再使用稀土永磁体
这是真的吗？要知道事实上，在2018年，世界上93%的电动汽车都配备了由稀土制成的永磁电机驱动的动力系统。在 2020年，占全球77% 的电动汽车市场使用永磁电机。电动汽车行业观察者认为：随着中国成为最大的电动汽车市场之一，中国又在很大程度上控制了稀土供应，所以中国不太可能从永磁机转向。但是特斯拉是什么情况，又是怎么考虑的呢？
2018年，特斯拉在Model 3首次使用嵌入式永磁同步电机，同时在前轴上保留了感应电机。目前，特斯拉在其 Model S 和 X两种型号的电动车上同时使用了两种电机，一种是稀土永磁电机，一种是感应电机。感应电机可以提供更多动力，而带有永磁体的感应电机效率更高，可以将行驶里程提高10%。
永磁电动机的由来
说到这，就不得不提提稀土永磁电动机是怎么来的。大家都知道磁生电、电生磁，电动机的产生离不开磁场，由此出现了励磁和永磁两种提供磁场的方式。
直流电机、同步电机及许多微型特种电机，都需要一个直流磁场，传统方法是利用具有铁心的通电线圈（称为磁极）来获得磁场，但是这个方法最大的缺点是电流在线圈电阻中有能量损耗（产热），从而降低了电机效率，增加了运行成本。
这时人们就想到——假如有一个永久的磁场存在，不再用电生磁，那么电机的经济指标不就提高了吗。于是在20世纪80年代前后就出现了多种永磁材料，它们随之被应用到了电机之中，成就了永磁体电动机。
稀土永磁电动机独占鳌头
那什么材料可以制造永磁体呢？不少网友以为只有一种材料，其实不然，能产生永久磁场的磁体主要有四种，分别是： 陶瓷（铁氧体），铝镍钴（AlNiCo），钐钴（SmCo）和钕铁硼（NdFeB）。包括铽和镝在内的特殊钕磁铁合金已经开发出具有更高居里温度的合金，使它们能够承受高达200°C的更高温度。
在20世纪80年代以前，永磁体材料主要为铁氧体永磁和铝镍钴永磁，但是这类材料的剩磁不是很强，所以产生的磁场相对较弱。不仅如此，这两种永磁体矫顽磁力较低，一旦遇到外部磁场很容易受影响而退磁，也就制约了永磁电机的发展。
再说说稀土磁铁。其实稀土磁铁这种永磁体分为两种：轻稀土和重稀土。 全球稀土储量由大约85%的轻稀土和15%的重稀土组成。后者提供适用于许多汽车应用的高温额定磁铁。 到了20世纪80年代以后，出现了高性能的稀土永磁材料——钕铁硼永磁体。
这种材料 具有更高的剩磁，以及更高的矫顽力和能量产生，但通常比替代品更低的居里温度。用它制成的稀土永磁电机优点颇多，比如效率高、不需要励磁线圈，因而没有励磁能量损耗；相对磁导率与空气机接近，降低了电机电感，提高了功率因数等等。 正是因为稀土永磁电机 具有更好的 功率密度 和效率，所以电驱动电机有许多不同的设计，最受欢迎的还是稀土永磁电机。
特斯拉想摆脱对中国稀土的依赖？
大家都知道中国提供了全世界绝大多数的稀土资源，美国近些年也看到了这一点，他们不想在稀土供应上受制于中国，所以拜登上台后 尝试增加对稀土供应链的参与，将其作为 2 万亿美元基础设施提案的优先事项之一。
MP Materials于2017年在加利福尼亚州收购了一座以前关闭的矿山，争夺恢复美国稀土供应链，重点是钕和镨，并希望成为成本最低的生产商。莱纳斯公司已获得政府资助，在德克萨斯州建造一家轻稀土加工厂，并在德克萨斯州签订了另一份重稀土分离设施合同。
虽然美国做了那么多努力，但是行业人士认为短期内，特别是在成本方面中国在稀土供应上将保持主导地位，美国根本无法撼动。
也许是特斯拉看到了这一点，他们才考虑使用完全不用稀土的永磁体来做电动机，这是大胆假设，还是口嗨，我们目前还不得而知。如果说特斯拉抛弃永磁电动机，而改回感应电机，这似乎又不是他们的行事风格。
而特斯拉又想用永磁体电机，还完全抛弃稀土永磁体，那么会有两种可能：一是对原有 陶瓷（铁氧体）、铝镍钴（AlNiCo）永磁体有了创新成果，二是用其它非稀土的合金材料制作了永磁体还能保持与稀土永磁体同等效果。如果不是这两种，那么特斯拉很可能是在玩概念。
Alliance LLC总裁Da Vukovich曾说“由于稀土磁铁的特性，没有其他磁铁材料可以匹配它们的高强度性能。你不能真正取代稀土磁铁”。
结语
不管特斯拉是玩概念，还是真的想在永磁电机方面摆脱对中国稀土供应的依赖，小编认为：稀土资源很宝贵，我们要合理开发，多考虑千秋万代之后的儿孙们还有的用，同时也需要科研人员们加大研究力度，咱不说特斯拉的提法好不好，至少也给了我们一些提示和启发。
参考资料，特此致谢！
1、《专题五 稀土永磁电机》
2、《虽然中国将继续在电动汽车中使用稀土，但欧洲尝试不同的选择》
3、《电动汽车中的稀土：问题、解决方案和实际情况》
4、《特斯拉使用稀土磁铁吗？》
5、《开发不太依赖稀土磁铁的电动机》
侃技术｜只要3分钟 看懂世纪心脏—电动车之稀土永磁电机
前段时间，特斯拉Model 3首批车交付车主，电动汽车再次成为人们关注的焦点。电动车使用电能驱动汽车前进，在这个过程中不会产生有害气体，所以成为代替传统燃油车最有潜力的对象，但是你知道吗？电动车动力总成和传统的内燃车完全不同，动力系统不是发动机、离合器、变速器、差速器等组成。而是由储存电能的储能机构（ESS），将能量输出给转换器和功率控制模块（PEM），通过控制传感器感知驾驶员操作需求和路况来驱动执行电机（马达），三个环节组成，电动车由于其动力系统复杂精确，所以更像是电子设备。在驱动马达这个环节目前小型轿车上以特斯拉为主的交流异步电机和BYD的稀土永磁电机最具代表的两种，今天侃弟就简单的给大家带来一些稀土永磁电机的知识。
稀土永磁电机的发展历史
早在19世纪20年代就出现了世界上靠前台电机，而这台电机的转子部分就是永磁体，用来产生励磁磁场。但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石（Fe3O4），磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。随着技术的发展对于永磁体材料的选择也有过很多种，这其中最优异的莫过于稀土材料了，所以将采用稀土永磁材料的电机又叫做稀土永磁电机。
稀土永磁电机的机构与原理
稀土永磁同步电机从结构上看主要是由转子、端盖、及定子等部件组成的。
一般来说，永磁同步电机的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似，而主要是区别于转子的独特结构与其它电机形成了差别。和特斯拉使用的交流感应异步电机的最大不同则是在转子上放有高质量的永磁体磁极（稀土）。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：内嵌式、面贴式以及**式。
而他们的工作原理大致相同，在固定电动机定子绕组中通入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转。
稀土永磁电机的技术瓶颈
1、 控制问题
永磁电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。永磁发电机难以从外部调节其输出电压和功率因数，永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。
2、 成本问题
由于稀土永磁目前价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。因此永磁电机适于小功率的场合。
3、 退磁问题
稀土永磁电机对于工作环境要求比较苛刻，超过180℃的稀土永磁材料将出现不可逆的退磁和失效情况;在剧烈振动或温差较大的情况下容易出现断裂;材料容易氧化腐蚀，必须进行表面涂装才能使用;稀土永磁电机对于过载十分敏感，一旦过载将导致永磁材料的退磁。
同时，稀土永磁电机的电磁负荷很高，制成后磁场难以调节，其动力控制系统要比感应电机复杂得多。传统的电机设计理论、计算方法、电机控制系统都不能适应高性能电机的研制要求。
总而言之，在稀土永磁电机研发的路上，困难重重。但是不经历风雨怎么见到彩虹，而在空难面前汽车工程师们孜孜不倦的努力最终也将突破瓶颈，大众也能受益科技带来的便利。
主流新能源汽车驱动电机的不同之处
新能源汽车的驱动电机主要有永磁同步、交流异步和开关磁阻三大类。因其不同特点，各有应用场合。
▌ 稀土永磁同步电机：
按照原理上可以做倒，体积小、质量轻，功率密度大，可靠性高，调速精度高，响应速度快，由于永磁同步电机功率密度高，其工作效率*高可达97%，能够为车辆输出最大的动力及加速度，因此主要用在对能量体积比要求*高的新能源乘用车上。
缺点是最大功率较低，而且成本比较高。交流异步电机价格低、运行可靠；但其功率密度低、控制复杂、调速范围小是固有限制。价格优势使得其在新能源客车中使用的较广泛。
▌ 感应（异步）电动机：
能忍受大幅度的工作温度变化。而相反温度大幅度变化会损坏永磁电动机，感应电动机的输出扭矩可以在大范围内调整，不需要撒热机构，重量轻，类似西瓜大小，重量不过52公斤。转速区间可以达到0—12000转，所以无需安装多余的传动机构。所以其车身的重量在新能源汽车中占有绝大的优势。
缺点是转子旋转速度难以控制，能耗较大，功率因数滞后，结构复杂、采用感应（异步）电机，其控制系统复杂技术要求高，制造成本高。
▌ 开关磁阻电机：
价格低、电路简单可靠、调速范围宽；但震动、噪声大，控制系统复杂，且对直流电源会产生很大的脉冲电流。用于大型客车，比如比亚迪电动车。
其中， 日韩车系目前多采用永磁电机，转速区间和效率相对都较高，但是需要使用昂贵的系统永磁材料钕铁硼；欧美车系则多采用交流感应电机，主要原因是对于稀土资源匮乏，以及降低电机成本考虑，其劣势则主要是转速区间小，效率低，需要性能更高的调速器以匹配性能。
侃弟总结：
假使电动汽车电池的续航里程相同，不同电机消耗的能耗就直接决定了电动车的续航里程，因此， 电动汽车的动力系统、负载大小、技术性能和工作环境都有严格要求。而驱动电动车的电机的发展要求也是朝着轻量化、低成本，适应有限的车内空间，同时要具有能量回馈能力，降低整车能耗；其次，驱动电机同时具备高速宽调速和低速大扭矩，以提供高启动速度、爬坡性能和高速加速性能，电控系统要有高控制精度、高动态响应速率，并同时提供高安全性和可靠性。
实现这些要求，一步一步提升电动汽车实用性，需要更高的技术水准和制造水平，但是目前我们国家在电机、电控领域的自主化程度仍远落后于电池部分，电机电控核心组件如 IGBT 芯片等仍不具备完全自主生产能力，具备系统完整知识产权的整车企业和零部件企业仍是少数。
新能源百科 永磁同步和交流异步哪个好？
在描述纯电动车的动力系统的时候，我们经常会听到永磁同步电机和交流异步电机的说法，而在出现频率上，永磁同步电机占据着绝大多数。它们之间到底有什么区别，又分别拥有哪些优缺点呢？本期新能源百科，让我们一同来探讨。
目前市面上的电动汽车共有四种电机，直流电机由于其诸多缺点已经逐渐被淘汰。开关磁阻电机被广泛运用于商用车上，不过由于其拥有较高转矩脉动，导致振动和噪声都很大，所以未被应用在乘用车上。而本文讨论的永磁同步电机和交流异步电机则成为了大多数乘用车所采用的电机形式。
电机特性交流异步电机永磁同步电机 功率密度低功率密度高调速范围小调速范围大单位功率成本低单位功率成本高无退磁现象温度大幅变化能引起退磁爱卡汽车网制表 www.xcar.com.cn
从性能上看，永磁同步电机在瞬态仍然可以保证较高的效率（95%左右），同时有着更大的功率密度，因此适用于频繁起停的工况以及较小的乘用车布置空间。而感应电动机胜在成本低、可靠性更高，同时稳态的效率也不错（大部分工况85%~90%以上），因而在高速路网发达的工况以及较大的乘用车布置空间的条件下，感应电机可以满足需求。
从性能上看，永磁同步电机在瞬态仍然可以保证较高的效率（95%左右），同时有着更大的功率密度，因此适用于频繁起停的工况以及较小的乘用车布置空间。
永磁同步电机所需要的钕铁硼永磁材料是稀土资源，对于稀土资源缺少或稀土工业不发达的国家而言，车用动力电机的技术方案是与**相关的。
稀土永磁产品
我国拥有全球70%的稀土资源，钕铁硼磁性材料的总产量达到全球的80%，日本则是稀土产业的大国，而欧美车企的电动车若想用永磁同步电机还要考虑进口稀土的问题。
永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，永磁体作为转子产生旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应，感应三相对称电流。
永磁同步电机的转子本身产生固定方向的磁场（永磁体），定子旋转磁场“拖着”转子磁场（转子）转动，因此转子的速度一定等于定子的同步速，所以叫做“同步电机”。定子线圈的磁场会因为断电而消失，但是转子却是磁性很强的永磁体，磁场并不会消失，因此称之为——永磁（虽然随着时间的流逝磁场会逐渐消失，但是速度也是很慢的）。
永磁同步电机的转子转速与定子绕组的电流频率始终保持一致。因此，通过控制电机的定子绕组输入电流频率，电动汽车的车速将最终被控制。
交流异步电机是由定子绕组组成的旋转磁场与转子绕组中感应电流的磁场相互作用而产生电磁转扭驱动转子旋转的交流电动机。
交流异步电机的转子滞后于现场速度，所以它的转子必须比磁场旋转得更慢。转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速旋转，存在转差率，这样可以感应转子电流，产生扭矩以驱动附加的负载，同时克服内部损耗。
当导体在磁场内切割磁感线时，在导体内产生感应电流，“感应电机”的名称由此而来。感应电流和磁场的联合作用向电机转子施加驱动力。
与永磁同步电机中使用永磁材料的转子不同，感应电机的转子则通常用铝或铜来制造。
动力电池能够直接输出的是高电压的直流电，如果要使用异步电机还需要使用大功率的逆变器，把直流转换成交流，这个过程也会产生一些能量损耗。而永磁同步电机可以直接用直流电驱动，所以永磁同步电机多用于经济型车，异步电机多用于高性能车型。
编辑点评： 无论是永磁同步电机还是交流异步电机，它们各自都具有明显的优势。不过，目前纯电动车的续航里程仍然是一项非常重要的评价指标。永磁同步电机的高效率更能帮助提高续航里程。而且高耐热性、高磁性能钕铁硼永磁体的成功开发以及电力电子元件的进一步发展和改进，使稀土永磁同步电机的发展迈向了新的高度。从目前的发展趋势看，永磁同步电机似乎前景更好。
以上就是稀土永磁同步电机的详细内容，希望通过阅读小编的文章之后能够有所收获！
