鄭立允， 張程， 趙立新， 李建軍， 賀洪江， 黃光偉

(1.河北工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 邯鄲 056000； 2.河北省稀土永磁材料與應(yīng)用工程研究中心， 邯鄲 056000； 3.河北工程大學(xué)機械與裝備工程學(xué)院， 邯鄲 056000； 4.河北新四達電機股份有限公司， 石家莊 050000)

“碳達峰、碳中和”是“十四五”規(guī)劃中重要推進的一項工作。電機行業(yè)成為這項工作中當(dāng)仁不讓的主角，電機產(chǎn)品從設(shè)計生產(chǎn)到使用回收周期內(nèi)的碳排放量不容輕視，國家相關(guān)行業(yè)部門也對電機的標(biāo)準(zhǔn)和能效提出了新的要求[1]。節(jié)能智能、綠色高效已經(jīng)成為電機企業(yè)目前的發(fā)展方向。永磁電機，特別是稀土永磁電機，具有功率因數(shù)高，在全負載區(qū)間保持高效率特性，運行節(jié)能效果顯著等一系列優(yōu)越性能，目前廣泛應(yīng)用于各大裝備生產(chǎn)制造等工業(yè)領(lǐng)域[2]。

對于稀土永磁電機而言，永磁體提供電機能量轉(zhuǎn)換所需的勵磁磁場，永磁體服役性能直接影響著電機齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動、輸出轉(zhuǎn)矩、氣隙磁密和反電動勢諧波含量以及損耗等電磁性能[3-5]。隨著對永磁電機性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的永磁體已經(jīng)不能滿足高性能電機的需求。研究學(xué)者從優(yōu)化磁體結(jié)構(gòu)和磁體性能角度來提高永磁電機整體性能[6]。

磁體結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指對永磁體形狀和尺寸進行優(yōu)化，如對磁體進行削極、分段處理，并結(jié)合算法確定磁體關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)取值，有效抑制電機轉(zhuǎn)矩脈動和齒槽轉(zhuǎn)矩，優(yōu)化氣隙磁密和反電動勢波形，改善電機性能[7-8]，但目前磁體結(jié)構(gòu)優(yōu)化往往以犧牲電機的輸出轉(zhuǎn)矩為代價，且磁體加工難度較大[9]，結(jié)合算法得到的優(yōu)化結(jié)果僅能滿足預(yù)定需求，無法得到全局最優(yōu)解[10]。

磁體性能優(yōu)化是指通過對永磁體摻雜材料和表面處理來提高磁體熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性，進而提高電機的效率以及使用壽命[11-12]。但不可避免地會使磁體磁性能有所下降[13]，研究學(xué)者們還在不斷尋找新的摻雜材料和技術(shù)來降低對磁性能的損耗?，F(xiàn)總結(jié)中外學(xué)者在永磁體優(yōu)化方面的研究工作，將優(yōu)化技術(shù)進行分類，并分析各類技術(shù)的優(yōu)缺點，指出待完善的問題，最后探討了未來發(fā)展趨勢。

1 永磁體優(yōu)化技術(shù)分類

通過對目前中外永磁體優(yōu)化技術(shù)進行總結(jié)，從磁體結(jié)構(gòu)和磁體性能角度對優(yōu)化技術(shù)進行分類，如圖1所示。永磁體結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)主要分為極弧削極和磁體分塊技術(shù)；永磁體性能優(yōu)化主要分為高磁能積、高電阻率以及高抗腐蝕性能優(yōu)化技術(shù)。

圖1 永磁體優(yōu)化技術(shù)分類圖Fig.1 Classification of permanent magnet optimization technology

2 磁體極弧削極

磁體極弧削極通過對磁體進行削極處理，改變磁體形狀，使磁體產(chǎn)生的氣隙磁密更加正弦化，從而抑制齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動，使電機運行更加平穩(wěn)。一般可以分為偏心削極、正弦削極和反余弦削極。

2.1 偏心削極

2.1.1 外偏心削極

Li等[14]通過電機磁路模型推導(dǎo)出產(chǎn)生正弦氣隙磁密的磁體形狀，實際采用如圖2(a)所示的外偏心削極來實現(xiàn)氣隙磁密正弦化。通過ANSOFT有限元軟件分析了不同偏心距對氣隙磁密的影響，并通過樣機實驗證明了外偏心削極后的磁體能夠有效減小氣隙磁密諧波含量。Yu等[15]提出一種考慮任何偏心磁極形狀解析計算模型，對外偏心削極下電機氣隙磁場進行分析計算，研究表明外偏心磁極下電機齒槽轉(zhuǎn)矩比同心磁極更小，通過調(diào)節(jié)偏心距可以改變齒槽轉(zhuǎn)矩的大小。Chen等[16]通過子域模型法分析了外偏心削極對齒槽轉(zhuǎn)矩及氣隙磁密的影響，指出削極后的磁體厚度影響磁通密度的大小，偏心距則影響磁通密度的空間分布。Pang等[17]在常規(guī)外偏心削極的基礎(chǔ)上，提出一種平行外偏心削極結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示，永磁體的內(nèi)外極弧半徑相同，永磁體的最大厚度與偏心距相等，該結(jié)構(gòu)節(jié)省了磁體材料的用量，經(jīng)過樣機實驗證明該結(jié)構(gòu)能夠減小氣隙磁密諧波含量，削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，但由于可優(yōu)化變量較少，優(yōu)化效果有限。Evans[18]將外偏心削極磁體應(yīng)用于內(nèi)置式永磁電機中，通過優(yōu)化磁體尺寸影響電機交直軸氣隙長度的比值來降低氣隙磁密諧波含量。

R為外極弧半徑;Rm為內(nèi)極弧半徑;h為偏心距;hm為磁體中心厚度圖2 外偏心削極磁體Fig.2 External eccentric pole cutting magnet

2.1.2 內(nèi)偏心削極

外偏心削極會導(dǎo)致氣隙長度不再均勻，對于磁場分布影響較大，而磁體采用如圖3所示的內(nèi)偏心削極后氣隙長度不發(fā)生變化。Yang等[19]推導(dǎo)了內(nèi)偏心削極下的電機齒槽轉(zhuǎn)矩的解析式，通過與有限元方法對比，證明內(nèi)偏心削極對齒槽轉(zhuǎn)矩起到削弱作用。Zheng等[20]以4極6槽的永磁同步電機為研究對象，通過參數(shù)優(yōu)化分析，計算得到內(nèi)偏心削極偏心距的最優(yōu)解，優(yōu)化后的電機氣隙磁密畸變率降低6.1%，轉(zhuǎn)矩脈動下降低8.7%。但內(nèi)偏心削極會使電機從隱極變?yōu)橥箻O，會影響電機其他性能，目前鮮有文獻指出這方面的影響。

圖3 內(nèi)偏心削極磁體Fig.3 Inner eccentric pole cutting magnet

偏心削極下的電機齒槽轉(zhuǎn)矩的解析式，通過與有限元方法對比，證明內(nèi)偏心削極對齒槽轉(zhuǎn)矩起到削弱作用。Zheng等[20]以4極6槽的永磁同步電機為研究對象，通過參數(shù)優(yōu)化分析，計算得到內(nèi)偏心削極偏心距的最優(yōu)解，優(yōu)化后的電機氣隙磁密畸變率降低6.1%，轉(zhuǎn)矩脈動下降低8.7%。但內(nèi)偏心削極會使電機從隱極變?yōu)橥箻O，會影響電機其他性能，目前鮮有文獻指出這方面的影響。

2.1.3 其他偏心削極

何洲紅[21]對如圖4所示的面包型偏心削極磁極進行研究，將磁極分為兩部分進行氣隙磁場解析計算，利用MATLAB進行數(shù)值掃描尋找最優(yōu)偏心距和極弧系數(shù)，最后利用有限元方法驗證了面包型偏心磁極對齒槽轉(zhuǎn)矩和氣隙磁密的削弱效果。

圖4 面包型偏心削極磁體[21]Fig.4 Bread type eccentric pole cutting magnet[21]

張炳義等[22]提出一種如圖5所示的新型表貼式磁極結(jié)構(gòu)，通過在永磁體表面覆蓋一個偏心削極的導(dǎo)磁金屬塊，優(yōu)化磁場分布，降低電機氣隙磁密諧波含量。集膚效應(yīng)使得渦流損耗集中到金屬塊表面，對磁體起到保護作用，且不需要對永磁體進行額外加工。但和面包型偏心削極類似，都會使電機反凸極率變大，限制電機過載能力的提高。

圖5 新型偏心削極磁體[22]Fig.5 New eccentric pole cutting magnet[22]

偏心削極技術(shù)能夠抑制電機的齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動，優(yōu)化電機性能。但由于偏心削極沒有唯一解，若想在保證電機輸出性能的前提下，提高優(yōu)化效果，需要通過參數(shù)尋優(yōu)得到最優(yōu)解，實現(xiàn)方法較為復(fù)雜。

2.2 正弦削極

Ruangsinchaiwanich等[23]最先提出正弦削極方法，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。磁體厚度Δh與轉(zhuǎn)子位置角θ和磁體最大厚度Δhmax滿足關(guān)系式

Δh(θ)=Δhmaxcos(pθ)

(1)

式(1)中：p為電機極對數(shù)。

Ruangsinchaiwanich等[23]以一臺正弦削極的4極6槽永磁電機為研究對象，分析了邊緣厚度對空載反電動勢波形及齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，研究證明邊緣厚度為0時，優(yōu)化效果最明顯。Wang等[24]以一臺正弦削極的10極12槽電機為研究對象，對磁體邊緣厚度進行優(yōu)化分析，當(dāng)邊緣厚度為1 mm時，氣隙磁場波形最符合正弦波形?？梢钥闯稣蚁鳂O下永磁體最優(yōu)邊緣厚度的選取受電機極對數(shù)的影響。

正弦削極能夠有效改善氣隙磁密波形，抑制電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，但會造成磁能過多在氣隙中消耗，氣隙磁密基波幅值降低，電機輸出轉(zhuǎn)矩下降。針對這一問題，Li等[25]提出如圖7所示的磁體結(jié)構(gòu)，在正弦削極的基礎(chǔ)上引入三次諧波來提高氣隙磁密基波幅值，保證電機輸出轉(zhuǎn)矩滿足設(shè)計要求。Lin等[26]以兩臺分別對轉(zhuǎn)子磁體進行正弦削極和3次諧波削極處理后的8極24槽電機為研究對象，通過有限元分析證明后者的電機平均轉(zhuǎn)矩顯著提高，但轉(zhuǎn)矩脈動提高了近25%，影響了電機輸出的平穩(wěn)性。Chai等[27]在正弦削極的基礎(chǔ)上，依次引入3、5、7、9次諧波來降低氣隙磁密諧波。分析結(jié)果表明，優(yōu)化后電機定子鐵耗降低27%，在保證平均轉(zhuǎn)矩基本不變的前提下，轉(zhuǎn)矩脈動降低10%左右。

Δt為磁體邊緣厚度圖6 正弦削極磁體[23]Fig.6 Sinusoidal pole cutting magnet[23]

圖7 三次諧波正弦削極磁體[25]Fig.7 Third harmonic sinusoidal pole cutting magnet[25]

與偏心削極相比，在固定永磁體厚度下，正弦削極存在唯一解，但正弦削極會削去大量永磁體，導(dǎo)致制造成本大大提高，通過引入諧波削極，可以有效提高磁體利用率，在保證輸出轉(zhuǎn)矩達到設(shè)計要求的同時，改善電機整體性能。

2.3 反余弦削極

Hsieh等[28]通過拉普拉斯方程和改進的磁路模型，推導(dǎo)出當(dāng)電機氣隙長度和角度滿足反余弦關(guān)系時，表貼式電機氣隙磁密波形最接近正弦波形。Evans等[29]將反余弦削極推廣到內(nèi)置式永磁電機中，探究了交直軸氣隙長度比值對電機氣隙磁密的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)氣隙長度比值為2.5時，氣隙磁密最接近正弦。為了解決反余弦削極結(jié)構(gòu)造成的輸出轉(zhuǎn)矩下降問題，Wang等[30]通過在反余弦削極中引入三次諧波，如圖8所示，在保證轉(zhuǎn)矩脈動不增加的前提下，電機平均轉(zhuǎn)矩提高了5%以上，但磁極優(yōu)化后電機鐵耗有所增加。

圖8 三次諧波反余弦削極轉(zhuǎn)子[30]Fig.8 Third harmonic anti cosine pole cutting rotor[30]

反余弦削極技術(shù)廣泛應(yīng)用于內(nèi)置式永磁同步電機中，該技術(shù)不會造成磁體的浪費，節(jié)約了制造成本，但會導(dǎo)致等效氣隙變大，降低電機的輸出轉(zhuǎn)矩?？梢酝ㄟ^引入諧波削極，改善電機的輸出性能。

3 磁體分段

3.1 磁體周向分段

磁體周向分段是將永磁體沿著軸向上分成若干段并進行合理排列，進而改善電機性能的技術(shù)手段，可分為極寬調(diào)制分塊、均勻分塊和組合分塊。

3.1.1 極寬調(diào)制分塊

脈寬調(diào)制技術(shù)(pulse width modulation,PWM)在電力電子技術(shù)中廣泛應(yīng)用，通過調(diào)節(jié)變量來抑制輸出電壓諧波。Onuki等[31]最早將這項技術(shù)推廣到表貼式永磁電機磁體設(shè)計中，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。Jeon等[32]對比不同分塊數(shù)下電機氣隙磁密波形諧波含量，結(jié)果表明，極寬調(diào)制下的氣隙磁密諧波含量降低，并且削弱效果隨著分塊數(shù)的增加而顯著。

圖9 極寬調(diào)制分塊[31]Fig.9 PWM segmentation[31]

安躍軍等[33]給出極寬調(diào)制下不同分段磁體數(shù)、尺寸及位置關(guān)系的計算方法，并制作一臺分段數(shù)為5的表貼式永磁電機，通過有限元分析和樣機實驗表明極寬調(diào)制分塊下的樣機氣隙磁密諧波顯著降低，并指出極寬調(diào)制分塊結(jié)構(gòu)更適合主要尺寸比小的少極大電機[34]。Chaithongsuk[35]將極寬調(diào)制分塊應(yīng)用于內(nèi)置式永磁同步電機中，通過有限元分析證明該方法能夠優(yōu)化氣隙磁密和反電動勢波形，抑制轉(zhuǎn)矩脈動。指出該方法在表貼式和內(nèi)置式永磁電機應(yīng)用中的普適性。Onuki等[36]考慮極寬調(diào)制分塊技術(shù)加工難度較高，通過采用寬度相等但剩磁強度不同的永磁體進行組合的方法等效實現(xiàn)極寬調(diào)制，提高了磁體的利用率，但對氣隙磁密諧波削弱效果有所下降。

極寬調(diào)制分段可以通過不同分段數(shù)消除氣隙磁密特定階次諧波，抑制轉(zhuǎn)矩脈動，但會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩密度下降，且加工和安裝難度較大。

3.1.2 均勻分塊

極寬調(diào)制分塊需要根據(jù)不同尺寸電機計算分段后磁體的尺寸及空間位置、并且極寬不相等，增大了加工難度和制造成本，學(xué)者們著手研究利用均勻分段代替極寬調(diào)制分段對電機性能優(yōu)化的影響。

楊玉波等[37]基于齒槽轉(zhuǎn)矩的周期性，采用疊加法研究分段數(shù)對電機齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。并給出永磁體分塊寬度和分塊間隔之間的關(guān)系式。通過有限元方法證明均勻分塊對齒槽轉(zhuǎn)矩削弱效果。由于磁體分段會影響輸出轉(zhuǎn)矩，Ashabani[38]采用多目標(biāo)優(yōu)化方法，在優(yōu)化齒槽轉(zhuǎn)矩的同時減小其對輸出轉(zhuǎn)矩的影響。Pouramin[39]以內(nèi)置式永磁電機為研究對象，探究均勻分塊對電機弱磁性能的影響，研究表明，均勻分塊可以降低永磁磁鏈數(shù)值和鐵心損耗，提高弱磁擴速能力。Duan等[40]進一步闡述了均勻分塊后電機弱磁性能提高的原因，最后指出均勻分塊在降低齒槽轉(zhuǎn)矩以及弱磁擴速方面有著良好的優(yōu)化效果，但會產(chǎn)生漏磁，降低磁體的利用率。蘇赟等[41]研究磁體均勻分塊對渦流損耗的影響，通過試驗分析結(jié)果表明，磁體周向均勻分塊對降低渦流損耗起主要作用，且對電機性能影響最小。

均勻分塊的優(yōu)化效果主要體現(xiàn)在抑制渦流損耗方面，雖然能夠削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，但會降低輸出轉(zhuǎn)矩，增大漏磁，使磁體利用率下降。

3.1.3 組合分塊

Isfahani等[42]提出如圖10所示的采用相同材料不同尺寸磁體進行組合而成的磁極結(jié)構(gòu)，指出這種磁極組合能夠降低氣隙磁密諧波含量，優(yōu)化反電動勢波形。

Hc為磁體矯頑力;↑表示磁體充磁方向圖10 相同材料不同尺寸磁體[42]Fig.10 Magnets of the same material and different sizes[42]

楊玉波等[43]研究了如圖11所示的組合磁極對轉(zhuǎn)矩脈動的削弱效果，通過合理選取磁體材料和極弧寬度的組合可以有效地削弱反電動勢諧波和轉(zhuǎn)矩脈動。

Hc為磁體矯頑力;↑表示磁體充磁方向圖11 不同材料相同尺寸磁體[43]Fig.11 Magnets of the same size and different materials[43]

Halbach[44]最先在粒子加速器設(shè)計上提出Halbach結(jié)構(gòu)，后來逐漸應(yīng)用到電機磁體設(shè)計中，其結(jié)構(gòu)如圖12所示。李耕等[45]研究了Halbach陣列徑向和切向磁體寬度比以及不同磁體厚度對電機性能的影響。Wang等[46]通過有限元仿真和試驗驗證了Halbach結(jié)構(gòu)可以提高氣隙磁密基波幅值，優(yōu)化氣隙磁密波形，抑制轉(zhuǎn)矩脈動，優(yōu)化電機電磁性能。趙敬云等[47]將Halbach磁極應(yīng)用到無軸承永磁電機，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子無鐵芯設(shè)計，減小了轉(zhuǎn)子重量，便于控制電機，使得氣隙磁密分布更加平滑。

↑表示磁體充磁方向圖12 Halbach磁極[45]Fig.12 Halbach magnetic pole[45]

為了優(yōu)化Halbach結(jié)構(gòu)對輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的負面影響，Shen等[48]基于傳統(tǒng)的Halbach磁極，分別提出了如圖13所示的“Hat”形和“T”形磁極，通過解析模型和有限元分析驗證了兩種結(jié)構(gòu)對電機性能優(yōu)化的有效性，對比分析表明，“T”形磁極在實現(xiàn)低轉(zhuǎn)矩脈動、高電磁轉(zhuǎn)矩上有著巨大潛力，但會導(dǎo)致磁體的浪費。

↑表示磁體充磁方向圖13 “Hat”形和“T”形磁極[48]Fig.13 Hat-type and T-type magnet poles[48]

磁體周向分塊可以消除氣隙磁密中特定階次的諧波，提高電機運行平穩(wěn)性，但磁體充磁和加工難度較大，對制造加工工藝要求較高。

3.2 磁體軸向分段

磁體軸向分段是將永磁體沿著軸向上分成若干段并進行合理排列，進而改善電機性能的技術(shù)手段，一般可以分為分段偏移、正弦分段和斜交分段。

3.2.1 分段偏移

Lukaniszyn等[49]提出如圖14所示的磁極軸向分段偏移方法，通過遺傳算法確定了分段數(shù)和偏移角度，通過有限元分析表明磁極優(yōu)化后電機的齒槽轉(zhuǎn)矩大大降低。

Chu等[50]分別對比了磁極偏移和不偏移下的齒槽轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩，通過調(diào)節(jié)偏移角度可以完全消除齒槽轉(zhuǎn)矩但無法消除負載轉(zhuǎn)矩脈動，且負載引起的磁飽和會加劇轉(zhuǎn)矩波動。Chu等[51]提出一種改進的分段偏移方法，通過同時優(yōu)化電機的電流超前角和分段偏移角度實現(xiàn)整個負載運行范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩波動的抑制作用。但由于磁體軸向分段會導(dǎo)致漏磁增大，削弱效果會大打折扣，且由于磁體軸向分布上的不對稱引起的不平衡磁拉力會影響振動和噪聲。

圖14 磁極分段偏移[49]Fig.14 Magnet pole segment offset[49]

3.2.2 正弦分段

Shah等[52]提出如圖15(a)所示的軸向正弦分段結(jié)構(gòu)用來實現(xiàn)正弦反電動勢，磁通量沿著氣隙有效地呈正弦分布，因此可以產(chǎn)生正弦反電動勢，并且能有效消除齒槽轉(zhuǎn)矩。Zhao等[53]對傳統(tǒng)的正弦分段進行改進，提出如圖15(b)所示的軸對稱的正弦分段，在保持正弦分段的特性下，消除非對稱正弦分段結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的不平衡磁拉力。

Du等[54]將對稱正弦分段應(yīng)用于車用內(nèi)置式永磁電機，其結(jié)構(gòu)如圖16所示，與傳統(tǒng)V形磁體相比，對稱正弦分段使得電機輸出轉(zhuǎn)矩有所下降，但單位體積的磁體利用率大大提高。

圖16 內(nèi)置V形正弦分段磁體[54]Fig.16 Interior V-shaped sinusoidal segmented magnet[54]

3.2.3 斜交分段

Jang等[55]提出如圖17(a)所示的人字形斜交分段結(jié)構(gòu)。Fei等[56]通過三維有限元分析了傳統(tǒng)分段和人字形斜交分段對電機性能的影響，結(jié)果表明人字形分段可以消除傳統(tǒng)分段導(dǎo)致的不平衡磁拉力，但齒槽轉(zhuǎn)矩削弱效果不如傳統(tǒng)分段。Jiang等[57]提出了如圖17(b)所示的W形斜交分段，分析了多種軸向分段技術(shù)對電機性能的影響，指出W形斜交分段在削弱齒槽轉(zhuǎn)矩和消除不平衡磁拉力上都有著良好的表現(xiàn)。

Δγ為斜交角度；↑表示磁體充磁方向圖17 軸向斜交分段磁體Fig.17 Axial skew segmented magnet

磁體軸向分塊中要考慮磁體軸向分布不對稱導(dǎo)致的不平衡磁拉力，采用對稱式分段結(jié)構(gòu)可以消除其影響，但會導(dǎo)致漏磁的增大，對電機的溫升和效率產(chǎn)生不利影響。

4 磁體性能優(yōu)化

4.1 高磁能積磁體

目前永磁電機磁極采用的材料大多為1983年由日本住友特殊金屬公司和美國通用汽車公司研發(fā)的釹鐵硼材料[58-59]。隨著制備技術(shù)和工藝的不斷優(yōu)化，釹鐵硼磁體的最大磁能積不斷提高，Sagawa等[60]通過加強對氧含量的控制，將原有磁體的最大磁能積從290 kJ/cm3提高到405 kJ/cm3。Kaneko[61]通過甩帶、氫破和氣流磨工藝制得最大磁能積為444 kJ/cm3的磁體。Rodewald等[62]用雙合金法制備了最大磁能積為451 kJ/cm3的燒結(jié)釹鐵硼磁體。Matsuura[63]通過對制備工藝進行優(yōu)化將燒結(jié)釹鐵硼永磁體最大磁能積提升到474 kJ/cm3。磁體磁能積的不斷提高使得制造相同功率下電機所需磁體體積減小，有利于降低生產(chǎn)成本。

4.2 高電阻率磁體

釹鐵硼永磁材料由于其電導(dǎo)率較高，電機運行時產(chǎn)生的諧波磁動勢會在永磁體引起的較大渦流損耗，使磁體溫度升高，存在磁性能下降的問題。學(xué)者們通過制備復(fù)合稀土永磁體來提高永磁體電阻率，減小永磁體渦流損耗。

Komuro等[64]制得氟化物涂層熱壓釹鐵硼磁體，比無涂層燒結(jié)磁體的電阻率高10倍。并通過電機試驗證明高電阻率磁體渦流損耗僅為無涂層的1/8，證明了高電阻率磁體對磁體渦流損耗的抑制作用。Gabay等[65]通過在磁體中添加CaF2層分割燒結(jié)釹鐵硼磁體，提高磁體電阻率，相比于未添加涂層的普通磁體，電阻率提升近兩個數(shù)量級，但磁體的磁性能和機械性能有所下降。白帆[66]研究了不同CaF2添加量對磁體電阻率和磁性能的影響，提供了一種通過控制Ce含量來制備較高電阻率、高磁性能磁體的方法。Zheng等[67]制備了涂覆二氧化硅絕緣層的新型熱壓釹鐵硼復(fù)合磁體，在保證最大磁能積沒有明顯降低的條件下，將電阻率提高21.7%。白楊等[68]制備出具有良好磁性能，且電阻率提高8.7%的ZrN摻雜釹鐵硼磁體。高電阻率磁體能夠有效抑制磁體渦流損耗，使磁體性能受溫度的影響減弱，保證電機穩(wěn)定運行。

4.3 高抗腐蝕磁體

釹鐵硼磁體的腐蝕敏感性大大限制了其在復(fù)雜工況環(huán)境下的永磁電機的應(yīng)用，提高磁體的抗腐蝕能力對電機的壽命及穩(wěn)定運行有著重要意義。

楊洋等[69]采用合金化法，通過添加Mg/MgO納米粉末增加磁體的抗腐蝕能力。Yu等[70]通過研究發(fā)現(xiàn)Nb不僅可以抑制Dy元素對剩磁的不利影響，還可以提高永磁體的熱穩(wěn)定性能，進而改善抗腐蝕性。添加合金元素可以在一定程度上提高磁體的抗腐蝕能力，但效果較為有限，對磁性能影響較大，因此需要結(jié)合實際應(yīng)用慎重考慮。

表面涂層是提高磁體耐腐蝕性的另一重要手段。Ma等[71]指出目前大多采用電沉積Ni/Cu/Ni鍍層對釹鐵硼磁體表面進行涂層防護。李悅等[72]針對該鍍層產(chǎn)生的屏蔽作用對磁體性能的不良影響，開發(fā)直接鍍銅技術(shù)，大大降低了對磁體性能的影響。Chen等[73]為減小鍍層厚度，利用Zn-Ni合金進行磁體表面鍍層。胡芳等[74]通過磁控濺射方法制備了多層Al膜，通過層錯結(jié)構(gòu)組織延長了腐蝕介質(zhì)的傳輸通道，提高鍍層抗腐蝕性能。楊英奇等[75]采用磁控濺射方法分別制備了Ti/Ni、Ti/Al、Al/Ni和Ti/Al/Ni合金薄膜，研究結(jié)果表明Ti/Al/Ni薄膜抗腐蝕效果最好。仝志宏等[76]針對鍍層加工前處理存在的問題，利用脈沖激光對釹鐵硼磁體進行表面清洗，探究不同激光功率對清洗效果的影響，結(jié)果表明，當(dāng)激光功率為12 W時清洗效果最佳，為磁體提高抗腐蝕能力打下基礎(chǔ)。雖然很多學(xué)者對提高磁體性能做了大量研究，但對永磁電機服役性能的影響方面有待進一步研究。

5 總結(jié)與展望

永磁體優(yōu)化技術(shù)近年來在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷進步和發(fā)展，大大提高了電機的整體性能，但還存在一些待完善和研究的問題。

(1)針對目前永磁體優(yōu)化技術(shù)不可避免地降低電機轉(zhuǎn)矩密度的問題，可以通過采用磁體徑向與軸向磁通并聯(lián)結(jié)構(gòu)或雙定子結(jié)構(gòu)來提高電機轉(zhuǎn)矩密度，但需要重新對電機進行電磁設(shè)計，改變整體結(jié)構(gòu)。對于常規(guī)永磁電機而言，開發(fā)一種對電機轉(zhuǎn)矩密度影響較小的永磁體優(yōu)化技術(shù)是今后研究重點。

(2)永磁體優(yōu)化技術(shù)對電機性能影響明顯，無法以提高單一性能為優(yōu)化目的，對永磁體優(yōu)化提出要求。為保證電機綜合性能提升，需要進一步探索和發(fā)展多目標(biāo)優(yōu)化算法等優(yōu)化手段在永磁體優(yōu)化中的應(yīng)用。

(3)永磁體結(jié)構(gòu)優(yōu)化對生產(chǎn)加工工藝提出了要求，如何降低工藝難度和加工誤差，兼顧制造成本，以滿足市場的多樣化需求都是新的挑戰(zhàn)。永磁體削極技術(shù)會產(chǎn)生大量廢料，如何對廢料進行回收再利用以提高稀土利用率，也是今后重要研究方向。

(4)永磁體結(jié)構(gòu)優(yōu)化會使電機內(nèi)部磁場發(fā)生改變，優(yōu)化前所采用的電機控制策略如果無法很好地適應(yīng)，會導(dǎo)致電機性能提升不明顯。因此需要進一步探究如何根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化選取合適的控制策略，使得電機整體性能得到有效提高。

(5)永磁體制備工藝不斷改進和完善，使得磁體性能得到顯著提高，但高性能磁體在電機上的服役性能還有待進一步探究。如何將磁體結(jié)構(gòu)和性能進行組合優(yōu)化是今后永磁體優(yōu)化技術(shù)發(fā)展新的趨勢和挑戰(zhàn)。