電動汽車拆解馬達不用永久磁鐵的驅(qū)動馬達

電動汽車拆解馬達不用永久磁鐵的驅(qū)動馬達

目前，電動汽車以及混合動力車的驅(qū)動馬達必不可少地要采用高成本的稀土材料。東京理科大學(xué)著眼于SR馬達，開發(fā)出了用于混合動力車的驅(qū)動馬達。實現(xiàn)了與豐田上一代“普銳斯”馬達同等尺寸、輸出功率、扭矩及效率。另外還通過充分利用分析軟件，改進了磁芯材料以及馬達構(gòu)造

東京理科大學(xué)試制出了用于混合動力車用的驅(qū)動馬達（圖1）。其特點是采用了完全不使用磁鐵的SR（開關(guān)磁阻）馬達構(gòu)造。這表明，即使不采用釹類磁鐵等成本較高的稀土類材料，也能制造出驅(qū)動馬達。

由于稀土類材料不僅受到產(chǎn)國以及產(chǎn)量的限制，而且容易成為投機的對象，因此，市場價格隨著時間的不同，有時會出現(xiàn)2～3倍的變動。如果此次試制的驅(qū)動馬達能實用化，那么，汽車廠商就能比以前更大程度地降低混合動力車的價格，并且能夠面向未來制定穩(wěn)定的量產(chǎn)計劃。

圖1：此次試制的驅(qū)動馬達

（a）外觀。驅(qū)動馬達沒有采用普通的IPM（內(nèi)嵌式永磁同步）馬達構(gòu)造，而是采用了SR（開關(guān)磁阻）馬達的構(gòu)造。實現(xiàn)了與上一代“普銳斯”IPM馬達同等的性能指標。（b）馬達內(nèi)部的磁芯構(gòu)造。定子為18極，轉(zhuǎn)子為12極。通過增加極數(shù)，提高了扭矩。定子上帶有線圈。

豐田“普銳斯”以及本田“Insight”等代表性混合動力車的驅(qū)動馬達，是在轉(zhuǎn)子中嵌入釹類磁鐵而成的IPM（內(nèi)嵌式永磁同步）馬達。IPM馬達由于既可利用磁鐵扭矩、又可利用磁阻（Reluctance）扭矩，因此，效率及性能較高。然而，由于制造起來仍然依賴釹類磁鐵，所以希望有新的解決方案。

另一方面，SR馬達雖然具有不使用磁鐵的特點，但由于不能利用磁鐵扭矩，只能利用磁阻扭矩，因而存在著效率及扭矩較低的問題。因此，要想實現(xiàn)混合動力車所需要的效率及扭矩，則必需加大馬達的尺寸，所以采用SR馬達被認為不是現(xiàn)實可行的方法。

此次設(shè)計的SR馬達通過在馬達的材料及構(gòu)造上下工夫，在與豐田上一代普銳斯（2003年推出）的IPM馬達同等尺寸的條件下，確保了效率、扭矩以及輸出功率（表1）。具體而言，在1200rpm條件下，實現(xiàn)了50kW（上一代普銳斯為50kW）的輸出功率、403N·m（上一代普銳斯為400N·m）的扭矩以及86％（上一代普銳斯為83％）的效率。今后，將對所試制馬達的性能是否達到了設(shè)計值進行驗證。

借助磁阻差旋轉(zhuǎn)

SR馬達利用轉(zhuǎn)子與定子間產(chǎn)生的磁阻差，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。在兩者的磁阻由高變低的作用下，定子不停地吸引轉(zhuǎn)子。

在轉(zhuǎn)子與定子的凸極重合的地方，轉(zhuǎn)子與定子的間隙（距離）變小，磁阻也變小。

相反，在間隙較大的地方，磁阻也變大。系統(tǒng)找出轉(zhuǎn)子與定子之間磁阻減少的組合，并向?qū)ο蠖ㄗ拥木€圈中通入電流，由此使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子與定子的磁極重合時以及不重合時的電感（磁力）差越大，扭矩也越大。

在構(gòu)造及材料上下工夫此次試制的SR馬達是通過馬達磁場分析軟件設(shè)計的。通過分析軟件，選擇了馬達磁芯的材料以及馬達的構(gòu)造。

上一代普銳斯的IPM馬達的積厚（磁芯的軸向厚度）為83.6mm，如果將71.4mm的線圈尾端長度（線圈突出于磁芯軸向長度之外的長度）包含在內(nèi)，則約為156mm。由于線圈為分布卷繞方式，因而線圈尾端較長，磁芯的積厚不能做得太大。

而SR馬達由于采用了集中卷繞方式，因此，可減短線圈尾端，相應(yīng)地增大了馬達磁芯的積厚。開發(fā)SR馬達時，就把與上一代普銳斯的IPM馬達相同的大小的扭矩作為了開發(fā)目標。

磁芯材料方面，為板厚為0.35mm的硅鋼板，與普銳斯等車型上通用的“35A300”（JIS標準）與JFE鋼鐵的“10JNEX900”（厚度為0.10mm）進行了對比。10JNEX900含有6.5％的硅。

隨著頻率增高，通用件35A300的鐵損增幅變得比10JNEX900更大（圖2）。此處的頻率與轉(zhuǎn)子的極數(shù)成比例。另外，已知如果增加轉(zhuǎn)子的極數(shù)，則扭矩增大。也就是說，較大的扭矩可通過增加極數(shù)來得到（表2）。通過分析軟件的估算得知，如果定子/轉(zhuǎn)子的極數(shù)從6:4變成8:6，則最大扭矩從160N·m增至221N·m。

圖2：提高頻率后的鐵損對兩種磁芯的鋼板進行了對比。如果頻率增大，則鐵損出現(xiàn)顯著差異。

在相同極數(shù)的馬達方面，在對2種鋼板進行對比時（1200rpm時），通用型的35A300獲得了較大的扭矩（表3）。由此前的分析可以認為，采用通用型的35A300對扭矩有利。然而，混合動力車用馬達還需要提高效率。效率可表示為如下算式。

效率＝輸出功率（W）/（輸出功率（W）＋鐵損（W）＋銅損（W））

輸出功率＝扭矩（N·m）×旋轉(zhuǎn)角速度（rad/s）

效率越高，就表示能夠?qū)㈣F損及銅損降低到越少的程度。而鐵損會隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，銅損會隨著扭矩的增大而增加。通過對2塊鋼板制作效率圖后發(fā)現(xiàn)，高速（高轉(zhuǎn)速區(qū)：3000～7000rpm）下的效率方面，10JNEX900顯示高出了2～3％的數(shù)值。這是由于高轉(zhuǎn)速（高頻）區(qū)的鐵損較少的緣故。

而在低轉(zhuǎn)速區(qū)（1200rpm）對2塊鋼板進行對比時，可以看出35A300的鋼板的扭矩及效率都相當好（表3）。然而，在極數(shù)（定子/轉(zhuǎn)子）為18/12的馬達方面，如果在混合動力車實際行駛過程中經(jīng)常到達的高轉(zhuǎn)速區(qū)（比如3000rpm）對效率進行對比的話，可以看出與通過效率圖估算的一樣，10JNEX900的效率較好（圖3）。

圖3：不同鋼板的效率（3000rpm時）

混合動力車使用頻度較多的高轉(zhuǎn)速區(qū)（3000rpm）的情況。低輸出功率時的效率方面，此次采用的10JNEX900高于通用鋼板。

35A300在高輸出功率時效率可達到93％，在20kW以下時效率則會降低。而10JNEX900即使在0～20kW的低輸出功率時，仍可保持著95％以上的高效率。

如上所述，如果僅從扭矩來看，35A300較好，但如果同時考慮到以混合動力方式使用的低輸出功率時的效率，則10JNEX900略勝一籌。

由于18/12馬達與12/8馬達相比，極數(shù)增加，所以線圈尾端可以減短。相應(yīng)地，磁芯的積厚從125mm增加到了135mm。通過增加積厚來增加了扭矩。

定子的根部傾斜配置為了使1200rpm轉(zhuǎn)速下的扭矩與上一代普銳斯相同，定子的各凸極根部傾角從3度增大到了10度（表4）。其結(jié)果是，定子的飽和磁通上升，從而可通入更大的電流。此前，在定子的根部，磁通流為瓶頸。此次通過擴大定子的根部，成功地提高了扭矩（圖4、5）。

圖4不同傾斜角下的扭矩如果增大定子根部的傾斜角，則可提高扭矩。線圈占積率也得到提高。圖5：定子根部的形狀（a）傾斜角為3度的定子，（b）傾斜角為10度的定子。

不過，如果只傾斜定子的根部，由于插槽的面積會減少，因而線圈的截面積也將減少。所以相應(yīng)地將轉(zhuǎn)子的直徑從200mm減小到了180mm，由此增加了定子的厚度，確保了線圈的面積。

最后，對于18/12的馬達（1200rpm），按照鋼板種類對比的結(jié)果制作成了“SRM1”與“SRM2”，將增加了定子傾角的制作成了“SRM3”。在SRM2中，平均扭矩為370N·m，效率為77.8％。而SRM3則扭矩增加到了400N·m，效率增加到了84.3％。

今后，將著手進行逆變器的標準化、減小振動以及降低成本。SR馬達的逆變器電路與采用磁鐵的IPM馬達不同。因此，試制SR馬達用逆變器時必需特別進行設(shè)計，成本也會增加。假如能夠利用已有的IPM馬達的逆變器電路，