【一藤开二花】橡树林和GE的同步磁阻电机技术

什么是同步磁阻电机

开关磁阻电机已经被广泛接受，但同步磁阻电机还比较陌生。简单的说这是一种“利用磁阻转矩”运行的电机。如何理解，我们不妨从内置式永磁同步电机角度来切入：

内置式永磁同步电机的转矩由永磁转矩和磁阻转矩两个成分构成。磁阻转矩 是和交直轴电感的凸极比有关系。现在的电机的发展，磁阻转矩的比例越来越高。所以说IPM都是混合转矩电机，只是混合的程度不同而已。以PriusIV为例，磁阻转矩比例超过60%，则可以称为：“阻性为主”。以PriusI为例磁阻转矩比例小于30%为例，则可以称为：”磁性为主“。而表贴式伺服电机100%都是由永磁转矩构成的，则是“纯磁性转矩”。

这就像光谱一样，在光谱的一端是“纯磁性转矩”，中间是 “混合转矩”，当然在另一端是“纯磁阻转矩”，这就是我们常说的同步磁阻电机。

通过这个光谱的比方，我们可以感受到这是和开关磁阻电机不同的电机，因为同步磁阻电机的控制和永磁同步电机的控制方式具备连贯性，极为相似，都是连续的控制方式，可以说是同一源流的。因此相比开关磁阻电机的非连续控制方式，其天然具备转矩脉动更低、噪音更好的的优势。

通过这个光谱的例子，我们也可以理解到同步磁阻电机可以存在一些变种，那就是永磁助磁的同步磁阻电机。如下图所示，它加了一些永磁材料助磁，其目的是为了提高电机的性能。

这是近几年发展出来的一种新的组合方式，其中磁阻转矩占了决定性优势，因此也归纳在磁阻电机的大类里面。它在光谱上的地位如下图所示：

缘起：低成本·无稀土

搞清楚了什么是同步磁阻电机，那么要回答下一个问题，为什么最近这个电机越来越受关注。  其实这类电机的发展有两大驱力。其一是低成本的需要，因为我们常用的钕铁硼永磁电机中最昂贵的单一零件就是“磁钢”。其成本占了整个电机原材料成本的 20~30%，因此成了降成本的重点照顾对象。我们回头看： 近十五年的车用驱动电机发展趋势 可以印证出： 稀土的用量是在逐渐减小的。

 再往前看，在DOE2025的路线图规划中，也对永磁体的成本作了明确的指导性约束：磁钢的的成本占比要降到4%。我们可以看到降低磁钢成本不仅仅是历史足迹，更是未来趋势。

同步磁阻电机的发展是由外向内的，先从国外再蔓延至国内。这是因为和欧美国家的”去稀土化“战略有关。这成了这类电机蓬勃发展的另一驱力。为什么要去稀土化，这和2011年左右发生的”稀土危机“有关。

在2011年前后，发生了一场炒稀土热，在短短的几个月内，重要稀土元素Dy Dd等价格抬升了几十倍，然后又快速悬崖式下降。稀土的这一轮”过山车“。让很多人一夜暴富，也让很多电机企业受到重创。因为出口受到重大影响， 这场风波对欧美日电机企业而言，就不仅仅是风波而是”稀土危机“。

稀土危机重创美国的安全感，从此之后”去稀土“就不仅仅是经济成本问题，而是涉及到国家安全的”政治正确的问题“。在美国能源部的主导下，去稀土化项目纷纷上马。其中三个主要选手：

• GE主走轻稀土技术路线和同步磁阻路线；

• 橡树岭实验室走无稀土的同步磁阻电机路线；

• UQM走非稀土铝镍钴技术路线。

如此构成了去稀土化的三架马车。UQM以前介绍过，下面要介绍的是GE和ORNL的同步磁阻电机。

GE的同步磁阻电机路线

提高同步磁阻电机性能的关键，在于提高凸极比。而凸极比的提高一般采用多层结构和减薄磁桥两种方法。但这两种方法都会带来一个问题，就转子的机械强度问题，因此很快就会达到极限。那有没有办法突破的方法呢？顺着这条脉络，这就有了GE和ORNL两种不同的技术路线。

为解决凸极比和机械强度的矛盾，一种很自然的想法会诞生。那就是我磁桥部分不导磁，如此就不需要减薄了。这就是GE走的是双相硅钢技术路线，所谓双相，就是一片硅钢上有两种晶相结构，其中一种是普通的导磁材料，另外一种是非导磁的材料。

如此就能在不需要导磁的地方，作针对性的非导磁处理。下图是GE公司做的样片，橘红色部分就是非导磁的硅钢，通过磁观测片，可以发现他们是不导磁的。

这种技术能大幅度提高电机的凸极比和性能，GE在开发的55kw的样机，其功率密度超过DOE2020年的技术要求，也超过Prius2010的技术水平，其材料成本较Prius2010下降了24%，更详细的资讯，请移驾我在荔枝上开设的视频专栏：《国外先进电机技术》。

ORNL的同步磁阻电机

为了解决同样的转子强度问题，ORNL走的是另外一条技术路线。那就是不减薄磁桥，而是让磁桥预饱和的方法。

磁桥预饱和使得磁桥处的硅钢工作在高饱和区域，这些区域的磁导率很低，使得阻碍磁场的能力增强，其效果和减薄磁桥是一样的。

以下图的的同步磁阻电机为例，在加了三块铁氧体磁钢后，电机的凸极比提高了一倍。凸极比的提升，再加上铁氧体提供的部分永磁转矩使得这台电机在全转速范围内都有转矩的提升。

ORNL就是采用这种思想开发了一台峰值功率达到85kw的电机，它的结构如下图所示：磁极为三层月牙结构，在大月牙中塞有铁氧体磁钢。通过测试数据，可以发现其功率密度可以达到1.7以上，达到DOE2020年水平。再加上配合串并联切换技术，综合运行效率可达92%以上。

总结 一藤开二花

GE和ORNL的两条同步磁阻电机技术路线都是美国去稀土化大战略这颗藤曼上的开出来的花朵。GE是通过材料技术创新，获得双相硅钢来提高凸极比的。而ORNL是采用永磁助磁的方式来提高凸极比的，两者各有优劣。我们需要思考的是：我国不存在稀土安全的问题，是否该走去稀土技术路线？还是充分利用稀土优势，提高产品的性价比。

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