关键词：永磁同步电机 钕铁硼磁体 退磁行为 负载转矩 性价比
- 引言
永磁同步电机（PMSM）凭借体积小、效率高、功率密度大的优势，已成为新能源汽车、风力发电和工业机器人等领域的核心驱动部件1-3。永磁体作为PMSM的关键元件，其磁性能直接决定了电机的输出特性。目前常用的永磁材料包括钕铁硼（NdFeB）、钐钴（SmCo）和铁氧体三类，它们在剩磁、矫顽力和热稳定性方面差异显著7-10。
然而，不同类型永磁体在不同工作条件下的适用性尚不明确。例如，N-52M磁体在室温下磁性能最强，但高温运行时可能发生不可逆退磁；SmCo磁体剩磁较低但热稳定性优异。本文参照Fang等人来源文献发表于Electronics期刊的研究，采用ANSYS Maxwell 2021R对一台54槽6极内置式永磁同步电机进行电磁仿真复现，系统比较N-52M、N-48SH和SmCo-28H三种磁体在25°C和120°C、100 A至800 A输入电流条件下的输出性能，为不同应用场景下永磁体的合理选型提供参考。
- 仿真模型与方法
2.1 永磁体特性
图1 三种永磁体的退磁曲线(a)、剩磁与矫顽力(b)
本研究选取了三种典型永磁体进行对比：N-52M（无重稀土烧结钕铁硼）、N-48SH（晶界扩散钕铁硼）和SmCo-28H（钐钴磁体）。如图1所示，N-52M具有最高的剩磁（1.421 T）和最大磁能积（~52 MGOe），但内禀矫顽力最低（1,131.6 kA/m）；N-48SH通过晶界扩散工艺在晶粒表面形成重稀土壳层，矫顽力显著提升至1,868.5 kA/m，但成本相应增加；SmCo-28H矫顽力最高（2,310.1 kA/m），且高温稳定性优异。120°C时各磁体的剩磁和矫顽力均显著下降，但SmCo磁体因优异的热稳定性下降幅度最小。
2.2 电机模型与网格
图2 电机模型示意图(a)、计算域(b)、网格分布(c)
参照Tesla Model 3电机拓扑结构，我们建立了54槽6极内置式永磁同步电机（IPMSM）模型，如图2a所示。永磁体呈V形布置，铁芯材料选用无取向硅钢。电机基本参数为：最大转矩约420 N·m，最高转速约18,000 rpm。利用电机的周期性特征，选取六分之一模型作为计算域（图2b），两侧边界设为匹配边界，外边界设为矢量位边界。网格划分（图2c）采用表面近似法，总单元数42,408个，永磁体表面最大单元面积约6 mm²。
2.3 求解设置
电磁场求解采用ANSYS Maxwell 2021R瞬态求解器。电压方程基于d-q旋转坐标系：
vq = Rs·iq + we·λm + we·Ld·id
vd = Rs·id − we·Lq·iq
输出电磁转矩通过Maxwell应力张量法计算：
T = (3/2) × p × λm·iq − (Lq − Ld)·iq·id
计算中忽略了瞬态热行为和冷却条件的影响，因为不同温度下永磁体的磁性能已通过实测数据预先设定。温度条件设置为室温25°C和高温120°C，输入电流范围为100 A至800 A。
- 结果分析与讨论
3.1 模型验证
图3 转矩仿真结果与文献21对比(a)、磁体高度对转矩影响(b)
首先对模型的准确性进行了验证。如图3a所示，在输入电流800 A、磁体N-40UH、转速17,900 rpm条件下，仿真计算所得平均转矩为413 N·m，与文献21报道的402 N·m吻合良好（偏差约2.7%）；峰值转矩425 N·m与文献值420 N·m基本一致。此外，磁体高度对输出转矩的影响趋势（图3b）与原文献一致，验证了所建模型的可靠性。
3.2 瞬态启动特性
图4 不同永磁体电机的转速曲线
三种磁体电机的启动过程均表现出典型PMSM启动特性。转速逐渐上升并伴有轻微振荡，在100 ms时因30 N·m负载施加产生明显转速波动，最终稳定在6,000 rpm。NdFeB磁体电机在启动同步阶段的转速振荡幅度略低于SmCo电机，这是因为更高的剩磁提供了更强的电磁转矩来抑制振荡。但三种电机均在约200 ms内达到稳态额定转速，永磁体差异主要影响动态响应特性，对最终稳态转速影响较小。
3.3 磁场分布与谐波分析
图5 不同输入电流下电机内部磁场强度分布
如图5所示，输入电流从100 A增大到800 A时，绕组产生的最大磁场强度从1,412.4 kA/m增至3,201.2 kA/m。最高磁场强度区域始终位于绕组端部，与IPMSM的一般特性一致。
图6 不同永磁体电机的磁通密度分布（100 A）
N-52M电机整体磁通密度最高，最大约3.2 T，磁桥附近达到饱和。N-48SH和SmCo-28H电机的磁通密度依次降低。
图9 气隙磁通密度FFT谐波幅值(a)及各次谐波含量分布(b)
气隙磁通密度的傅里叶分析（图9）表明：基波是磁通密度的核心分量，第3、6、9次低阶谐波是主要谐波成分，合计占比超过90%。N-52M电机基波磁密幅值最高（0.58 T），且高阶谐波幅值比例最低，表现出最优的谐波抑制性能；N-48SH电机低阶谐波比例最小；SmCo-28H电机各阶次谐波分布最为稳定，但基波幅值最低。
3.4 转矩能力分析
图10 不同工况下电机负载转矩：(a) 25°C；(b) 120°C
如图10a所示，室温25°C下，N-52M电机负载转矩最高，100 A时达135.1 N·m，800 A时达451.9 N·m，约为SmCo-28H电机的1.3倍。但随着电流增大，N-48SH电机转矩逐渐超越N-52M电机，因为N-52M矫顽力较低，在大电流的强励磁磁场下开始出现局部退磁。
高温120°C下（图10b），N-52M电机转矩大幅下降，800 A时转矩趋于稳定------此时磁体退磁严重，增大励磁电流已无法提高磁相互作用。相比之下，N-48SH和SmCo-28H凭借高矫顽力和热稳定性，高温大电流下仍能保持较高转矩，其中SmCo-28H在800 A时转矩约为380 N·m，显著优于N-52M的约270 N·m。
图11 不同永磁体电机的齿槽转矩
齿槽转矩方面（图11），NdFeB磁体电机峰值约300 mN·m，SmCo-28H降至约150 mN·m且波形更平滑，这归因于SmCo较低剩磁减弱了气隙磁场与铁芯槽口的相互作用。
3.5 退磁行为分析
图12 永磁体运行退磁曲线示意图
退磁是永磁体在电机运行中面临的严重问题。如图12所示，当外部反向磁场使磁体工作点低于退磁曲线拐点K时，磁体将沿新的回复线（线2）工作，无法恢复原有磁性能。我们定义了局部退磁参数Demag（回复剩磁通密度与原始剩磁通密度的比值）和整体退磁因子φ来量化全磁体的退磁状态。
图15 不同永磁体在120°C、800 A工况下的退磁行为对比
如图15所示，在120°C、800 A极端工况下，N-52M磁体退磁区域占磁体总面积约90%，几乎全域失磁；而N-48SH和SmCo-28H磁体仅在磁桥附近局部退磁，大部分区域保持原有磁性能。
图16 不同工况下各永磁体的退磁因子
退磁因子定量分析（图16）表明：低温低电流下各磁体几乎不发生退磁。N-52M在高温工况下退磁最严重，退磁因子最大值达36%，意味着磁性能降低超过三分之一。120°C、800 A时退磁尤为严重，磁体已无法正常工作。N-48SH和SmCo-28H凭借高矫顽力，各工况下退磁因子均低于5%，其中SmCo-28H因矫顽力最高（2,310.1 kA/m），抗退磁性能最优。
3.6 性价比分析
图17 不同工况下各永磁体的成本参数γ对比
考虑实际应用中的经济因素，我们定义了成本参数γ = 磁体价格 / 负载转矩。N-52M、N-48SH和SmCo磁体价格分别为54.2、66.9和45.3美元/kg（杭州永磁集团提供）。如图17所示，室温低电流工况下，N-52M的γ值最低，性价比最优。但随着温度升高和电流增大，SmCo磁体因高矫顽力和优良热稳定性，负载转矩不显著下降，成本效益逐渐超越N-52M。尽管N-48SH磁性能优异，但因含重稀土元素导致成本较高（66.9美元/kg），性价比始终低于SmCo。
- 结论
通过对54槽6极IPMSM的电磁仿真，系统比较了N-52M、N-48SH和SmCo-28H三种永磁体在不同温度和输入电流条件下的输出性能、退磁行为和成本效益，得出以下结论：
（1）室温低功率工况下，N-52M电机负载转矩最高（100 A时135.1 N·m），约为SmCo-28H电机的1.3倍，是最优选择。N-52M磁体提供最高的磁通量，且低励磁电流下不发生退磁。
（2）高温大电流工况下，N-52M磁体发生严重不可逆退磁，整体退磁因子最高达36%。120°C、800 A时磁体几乎全域失磁，负载转矩降至约270 N·m。SmCo-28H凭借最高的矫顽力（2,310.1 kA/m）和优异的热稳定性，退磁因子不足5%，800 A时转矩仍维持在约380 N·m，表现最佳。
（3）性价比方面：低温低功率时N-52M最优（价格最低54.2美元/kg，转矩最高）；高温大功率时SmCo-28H因退磁抗力强且价格较低（45.3 vs 66.9美元/kg），综合效益最佳，是高温工况下的推荐选择。
水桶学习吧 985 博士团队，可 1:1 复现同款电磁场仿真，提供全学科有限元、分子动力学等科研服务。私信获取完整仿真模板与定制方案。