1、什么是高磁阻技术路线

什么是高磁阻技术路线？要从永磁同步电机的转矩构成说起。永磁同步电机的转矩由磁阻转矩和永磁转矩两部分构成的。永磁转矩和永磁体相关的那部分转矩，磁阻转矩是和永磁无关的那部分转矩。如现在常见的Prius 单V结构 ，永磁转矩和磁阻转矩的大致比例在7：3到6：4之间，高磁阻路线就是追求磁阻转矩比例更高的技术路线。

我们把视野放大，根据磁阻转矩的比例高低制成一张“光谱”。在“光谱”的左端是“纯永磁转矩”，典型代表是“伺服应用的SPM电机”， 另一端是“纯磁阻转矩”典型代表是“ABB标准工业同步磁阻电机”。而在这两极之间还存在许多中间状态：比如磁阻转矩比例在50%以内Prius第三代和第四代的IPM电机。 而高磁阻路线，追求磁阻转矩比例超过50%，在光谱中有两种电机可选，除了纯同步磁阻电机SynRm（磁阻转矩100%）还有一种是永磁助磁同步磁阻电机PMa-SynRm。

用“连续光谱”来形容SPM、IPM、PMa-SynRm、SynRm这四类电机有一个隐喻：就是这四类电机具有内在同质性，他们的定子结构相同，控制硬件相同，控制算法类似。光谱上相邻的两类电机，它们之间只是磁阻比例量的不同，没有质上的区别。这种连续性给技术渐进发展带来了有利条件。因此高磁阻技术路线，可以理解成在现有IPM电机路线上的继续发展，可以叫它“特殊的IPM”电机也可以叫“PMa-SynRm”。

2、为什么要走高磁阻技术路线

走高磁阻技术路线的最大的动因，是能够降低成本。同样大小的转矩，磁阻转矩比例提高了，永磁转矩就减少，相应的永磁成本也降低了。如下图所示，高性能驱动电机的有效成本构成中，无论是圆线还是扁线，磁钢的占比都是最高的。因此用磁阻转矩去代偿永磁转矩是降低成本的有效措施。

从国外看，美国DOE制定的2025年电驱发展路线图中降成本的路径之一是：降低稀土磁钢用量。

走高磁阻技术路线的另外一个动因是降低反电动势，如上期文章所述,整车厂对反电动势要求愈发严格。反电动势要求控制的越低，控制器器件的耐击穿电压要求也越低，成本也越低。因此从系统角度而言，降低反电动势的动因也是追求低成本。

MotorBrain的技术指标落后是因为采用了较传统的同步磁阻技术，另外一个先进同步磁阻电机项目是橡树林（ORNL）和GE合作的项目。采用双相硅钢材料作为转子冲片材料。改项目还在进行中，目前和先进IPM电机相比仍然存在效率和功率因数方面的差距。

因为纯同步磁阻电机的上述不足，目前阶段选择PMa-SynRm更现实可行，从另外一个方面而言PMa-SynRm和IPM相比更接近，可以采用同样的控制算法就能实现，在技术上具备顺延特性。

4、PMa-SynRm上车的挑战

高磁阻的PMa-SynRm方案要想上车，必须满足车用驱动的特殊应用需求。因此我们的核心目标是：“从输出能力到安全性共七个方面和IPM作对比，以论证其是否具备性能和成本的可行性。”

在案例分析对比之前，我们调研了目前常用的高磁阻方案的转子拓扑结构，PMa-SynRm是一种新型电机细分种类，目前能看到的拓扑结构大致如下图所示。这些结构都有一个共同点：采用3层~4层的磁极，并在若干层中放置有永磁体以助磁。

在这些方案中有三个经典案例值得学习：

• 其一是日本Osaka Prefecture大学提供的铁氧体助磁方案，但该方案面临磁钢局部退磁问题，且功率较小和车用驱动不匹配。

• 其二是韩国Sungkyunkwan 大学提供的高磁阻方案，但它的缺点是输出转矩低于普通IPM，且有效扭矩密度仅有25.5Nm/L,远低于目前40~50m/L--普通车用圆线电机的水平。

• 其三是美国GM公司正在开发的非稀土助磁方案，其扭矩密度和功率密度都达到车用电机水平，但高速时转矩和功率衰减过快，无法满足车辆高速行驶的要求。

在保证能降低成本的基础上，提供和普通永磁同步电机媲美的低速大载能力、防止高速功率快速衰减，并提高磁钢抗退磁能力，是目前高磁阻方案上车需要面临的三大挑战。为了应对这些挑战，本案采用了一系列技术策略：

一、采用非稀土磁钢，降低稀土磁钢比例，以降低永磁降低成本；

二、采用三层结构提高凸极比，从而提高磁阻转矩比例，降低成本；

三、采用基于遗传算法的多目标优化，以平衡转矩、高速功率、磁钢抗退磁能力、NVH等多方面的要求。

5、案例分析：PMa-SynRm的设计过程

在具体实施上，对标的是120kw小型乘用车、物流车用IPM普通永磁同步电机，最大扭矩280Nm，最高转速14000rpm，如下图所示IPM电机采用V型转子拓扑结构，高磁阻方案采用三层转子结构拓扑。

三层结构拓扑的转子，转子参数变量超过43个，优化目标即要兼顾低速高转矩、又要防止高速功率过载，同时还要防止磁钢退磁和NVH故障。考虑工况组合，优化目标超过12个。像这类多变量、多目标的设计要求，我们称之为“复杂设计问题”。 传统的人工调整设计方法已远无法满足要求。因此我们采用“参数化转子结构+遗传算法多目标优化“来解决这类复杂设计问题。

在设置目标时，我们选取了最大转矩、空载、最高速度三个工况。其中最大转矩工况以最大转矩、转矩脉动、成本、温升时间、单位转矩铜耗作为优化目标，其实是即要监控扭矩输出能力和成本、还要监控温升和效率。防止出现高扭矩高损耗的不利情形；

空载工况的优化目标核心是"齿槽转矩"、"反电动势谐波畸变率"、"反电动势幅值"这是从三个不同的角度来约束电机的性能：“齿槽转矩”控制的是电机运行平顺度，“谐波畸变率”控制的是反电动势的正弦性，越正弦越易控制；“反电动势幅值”是主机厂要求，越低对控制控制器成本越有利。

高速工况的优化目标选择了“感应电压幅值”、“输出转矩”、“转矩脉动”、“谐波畸变率”作为优化目标，前两者和高速扭矩、功率输出能力有关、后两者和电机NVH相关。

此外我们还设置了“磁钢工作点”作为优化目标，以控制磁钢的抗退磁能力；

在优化变量设置上，我们选取了定子和转子两方面的参数。也可以定子不变，仅作转子优化，寻找转子局部最优解。反过来也一样可求取定子最优解。我们这里选择了全局变量优化的，以获得最佳的定转子组合解，这会增加算法寻优的难度和计算量。

优化的过程可以从下图的界面中加以监控。图中的每一个点都代表一个方案，我们发现当优化到了23代之后，转矩和成本的边界条件就已经初步呈现，这条线代表了优化到极限时：转矩和成本的对应的关系。进化60代后，可以看到转矩和成本呈现明显的线性关系，而成本低于1200元（原IPM电机的80%），扭矩大于280Nm的点集，就是符合我们要求的解集。

优化完成后，能够看到上千条解，我们施加了一系列限制条件，比如转矩必须>280Nm，转矩脉动必须<08%，来作多角度多方位的筛选。

最后发现满足成本、扭矩、反电动势、转矩脉动等各方面限制条件的解只有四个，我们通过综合评判，人工选择了最后一个方案。优化软件自动生成了下图所示的转子模型，这个解将用来和IPM电机PK。

6、案例分析：PMa-SynRm和IPM的PK

我将算法进化出的Pma-SynRm方案命名为Design1,并和对标IPM作了各方面的对比。在效率Map图方面我们发现高磁阻方案和IPM相比效率分布区域基本相当，但效率>96%高效面积略低于IPM。而在高速区的效率高磁阻方案不需要深弱磁而效率高于IPM。

下表将IPM和高磁阻方案的关键参数作了对比，高磁阻方案在14000rpm的线反电动势幅值只有384V,较IPM下降了17%，仅仅是电池电压336V的1.14倍，达到了降反电动势的要求。

在保证同峰值扭矩和峰值功率的情况下，高磁阻方案叠高增加了5mm，比IPM略低4%，分别是49Nm/L，21Kw/L,比BMWi3的电机略高；

而在电磁材料成本方面下降更明显，达到22%，从1505元下降到1170元。

从成本模型中可以看出，IPM稀土磁钢成本占了非常大的比例，达到56%。而在高磁阻方案中，稀土磁钢成本占到了30%，非稀土磁钢成本占到了10%，两者合计仅到40%，磁钢成本总体下降。这也意味着我们在高磁阻方案中同时采用的稀土和铁氧体两种磁材。

磁阻转矩比例高低是实现低成本和低电压的关键，下图显示了高磁阻方案磁阻转矩比例达到了61%，永磁转矩只占小头39%，而原IPM方案其实磁阻转矩比例并不低，达到了49%。也就是说原IPM电机是一个较高水平的对标对象。

车用驱动电机非常重视宽转速范围内的输出能力。 对比转矩和功率曲线，本案高磁阻方案基本和对标IPM基本，在低速区域高磁阻方案多出8Nm,而14000rpm高转速点，峰值功率下降10%，只有90kw，下降比例在可控范围内。需要注意的是，这类高磁阻转矩的电机峰值功率极易快速衰减，在优化时，需要给与高速输出能力目标以更多的权重。

详细对比关键工作点的性能，我们会发现更多的信息：

• 首先高磁阻方案的转矩脉动小于IPM方案，在低速、额定、峰值功率点转矩脉动都小于3.5%，这并不是高磁阻方案的先天优势，而是我们在作多目标优化时，对转矩脉动作了严格的控制，倾斜了更多的计算比重。 

• 其次高磁阻方案的功率因数较低，如额定点高磁阻方案的功率因数只有0.79，而IPM方案达到了0.9，低功率因数是这类电机的先天短板，在本案中低功率因数并没有影响最大转矩时的电流，是因为最大转矩时电压未用满。而没有恶化高速时的电流，是因为高速时IPM需要很强的弱磁电流，功率因数也较低，两相比较未凸显缺点。
  

• 最后我们也发现高磁阻方案的一个缺陷，高速时磁钢的涡流损耗较大，90kw@14000rpm时磁钢损耗达到了178w，因此高磁阻方案需要将磁钢细分的更小，并将高速磁钢损耗作为优化目标。

最后一个关键问题是磁钢退磁问题，我们的方案用到了铁氧体磁材，这是一种即低廉又特殊的磁性材料。

在高温时剩磁会下降，但内禀矫顽力却能提高，因此其高温拐点会变低，跌出第二象限。但高温会导致电流变大，因此需要控制 高温时磁钢的工作点高于0点。

在低温时，铁氧体的磁性能会增强，但内禀矫顽力会变小，这个时候拐点较高，因此其退磁曲线有很大一部分是弯曲的。我们选择的铁氧体低温-40℃的拐点是0.08Telsa。因需要控制在低温时磁钢工作点高于0.08Telsa。

下面两图是我们通过磁钢形状和其周围结构形状微调，来提升磁钢高、低温工作点的效果。从我们的实践来看，磁钢的宽厚比、磁钢槽漏磁旁路设计对最低工作点影响较大，需要在优化设计时作为关键优化变量。

7、总结

最后我们对高磁阻电机“PMa-SynRm”方案作个总结：

1. 它能够有效降低成本，达到20%以上；
   

2. 它能够降低反电动势,达到17%以上，以满足主机厂需求；

3. 它在转矩脉动、齿槽转矩方面没有明显劣势，能够满足NVH要求；
   

4. 它的输出能力和调速范围可以做到和普通永磁同步电机相当；

5. 最高效率和高效区域和IPM基本在同一水平；

6. 磁钢的安全性可以通过优化设计来解决；
   

7. 它的转矩密度和功率密度比IPM略低4% ；

因此它基本达到了上车应用的条件，将是一个具备竞争力的解决方案，下一步我们将高磁阻电机和扁线技术形成技术策略组合，以提高扭矩密度和效率，达到既降低成本又提高性能的效果。