电机的闭合磁路 

 现在的自制 EV 中，多采用带铁心的无刷直流 电机（以下简称为无刷电机）。很多 EV 会希望有 耐久性、续航距离，因此高效率电机备受欢迎。从磁通量控制的角度来看，不仅是铁心材料，永 磁体也很重要。永磁体也有许多种，但并不是磁力最 强的永磁体就是最合适的。铁心材料的磁特性和定子 与转子之间的气隙也有一定关系。

 在寻求高效率的自制 EV ，（径向间隙） 无刷电机经常受到青睐（图 1）。

图1

无刷电机的定子中 U、V、W 各相都有多个线圈，通过分别输入逆变器产生 三相交流电，使转子旋转。当然，定子线圈中也有铁心。在图 25 中，U 相线圈和 V 相线圈中各自输入箭 头方向的电流，则 U 相磁极被磁化成 S 极，而 V 相磁 极被磁化成 N 极。结果，转子的 N 极和被磁化为 S 极的 U 相磁极之 间产生箭头所示的引力，而转子的 S 极和被磁化为 S 极的 U 相磁极之间产生箭头所示的斥力，因此转子按 照图示箭头的方向旋转。此时磁通量Φ 沿着铁心材料 V 相磁极→间隙→转 子磁体→间隙→铁心材料 U 相磁极→铁心材料磁轭部 分→铁心材料 V 相磁极这一闭合磁路流动。

上述无刷电机的闭合磁路中没有电流流动时，对 于闭合磁路中磁体和铁心材料的磁场 Hm 和两者间隙部 分的磁场 Hg，设铁心材料和磁体所构成的磁路长度为 l1，两者间隙部分总长为 l2，则有如下关系：

 Hm l1 + Hg l2 = 0 （1）

 另一方面，间隙部分有磁体产生的磁通密度 B。B = μ0 Hg （2） 由式（1）和式（2）推导出 Hm 如下式：

 Hm = l2 l1·µ0 ·B （3）

 因此，磁体的工作点可由所用磁体的退磁曲线和式（37） 确定的 Hm 得到，如图 2 所示。 

图2

 此外，为了增大工作点的 B 值，需要使用剩余磁 通密度 Br 和矫顽力 Hc 较大的磁体，而间隙部分长度占 闭合磁路长度的比率 l2 /（l1 + l2）要小。然而，上式成 立的条件为，组成磁体的铁心材料的饱和磁通密度 Bs 和占积率 LF 的乘积 Bs·LF 必须比上述磁体的工作点 B 大很多。再者，图 2 中灰色部分的面积相当于磁能积，实 际获得的能量为它的 1/2。磁能积的单位是 J/m3 ，以前 的单位 G·Oe（高·奥）也在使用。两者的关系如下：

 1J/m3  = 125.7 G·Oe （4）

 实际所能获得的磁能积的最大值称为最大磁能积， 作为表示磁体强度的参数，和剩余磁通密度 Br 一起被 广泛使用。

 图 3 所示为转子中使用的两种具有代表性磁体 的退磁曲线，分别为钕铁硼磁体 S49H（最大磁能积为 389kJ/m3  = 49MG·Oe）和铁氧体磁体 12F（最大磁能 积为 39.8kJ/m3  = 5MG·Oe）。

图3

 通过比较可知，钕铁硼磁体是较铁氧体磁体更为 强力的磁体。因此，一般用于 HEV、EV 等要求无刷 电机小型化的应用。然而，钕铁硼磁体不仅造价高，而且其原料中的 稀土元素钕和镝在地球上的采掘地点分布极不均匀。尤其是后者，全球只有中国可以供应。与之相对，每 单位质量铁氧体磁体的价格仅为钕铁硼磁体的 1/10， 原料供应方面也不存在紧张的问题。 

 无刷电机的定子线圈中输入了逆变器产生的三相 交流电，通过改变频率控制转速。为了改变交流电的 频率，逆变器产生频率比基波（与输出频率相当）频 率高出一个数量级的高频波（称为载波），然后产生 基波频率。因此，逆变器输出到无刷电机中的三相交流电中， 除了基波频率成分，还有频率更高的高频成分。这个包含高频成分的交流电产生的包含高次谐波 成分的交流磁通量Φ，沿着如下闭合磁路流动：铁心 材料的磁极→间隙→转子磁体→间隙→铁心材料前面 提到的磁极和邻接的其他磁极→铁心材料磁轭部分→ 铁心材料原来的磁极。于是，在铁心材料中相当于基波频率的铁损上加 上相当于高次谐波的铁损的影响下，所用逆变器的载 波频率越高，铁心材料中产生的铁损越大。另外，包 含高次谐波成分的交流磁通量Φ 也会流入磁体，并在 磁体中产生铁损。

 磁体产生的铁损，尤其是涡流损耗，它与电阻率成反比。作为金属合金的烧结磁体， 钕铁硼磁体的电阻率为微欧米级。而作为陶瓷，铁氧 体磁体的电阻率为欧米级，比前者大 6 个数量级， 因此在减少涡流损耗方面铁氧体磁体具有压倒性的 优势。前文所介绍的 11kW 轴向间隙无刷直流电机，以 具有上述特长的铁氧体磁体为转子铁心材料，结合使 用铁损极小的铁基非晶合金铁心材料，方可实现高效 率无刷直流电机 。