電動(dòng)汽車拆解馬達(dá)借助輔助線圈控制磁場稀土類磁鐵減少一半上

電動(dòng)汽車拆解馬達(dá)借助輔助線圈控制磁場稀土類磁鐵減少一半上

日本名古屋工業(yè)大學(xué)開發(fā)出了采用輔助線圈提高輸出功率密度的驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)。通過改變在輔助線圈中流通的直流電的方向，可增強(qiáng)或者減弱永久磁鐵的磁通。在馬達(dá)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，借助“增強(qiáng)磁場”來提高輸出功率。如果轉(zhuǎn)速升高時(shí)，則可通過“減弱磁場”來降低反電動(dòng)勢及鐵損，從而提高效率。

名古屋工業(yè)大學(xué)面向EV（電動(dòng)汽車）及HEV（混合動(dòng)力車）用途，開發(fā)出了提高輸出功率密度的驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)（圖1）。

其特點(diǎn)是，為了提高輸出功率密度，不像以往那樣大量使用稀土類磁鐵，而是采用了在定子一側(cè)追加輔助線圈，借此補(bǔ)充稀土類磁鐵的磁通的構(gòu)造。在只有豐田于2005年推出的“雷克薩斯RX400h”驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)的磁鐵量一半的情況下，卻獲得了同等的輸出功率密度。

圖1此次開發(fā)的驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)的構(gòu)造

與以往的驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)一樣，在轉(zhuǎn)子的外周側(cè)配置定子。此次新增的一點(diǎn)是，以從左右夾持轉(zhuǎn)子面的方式配置輔助線圈。

驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)的輸出功率及扭矩與稀土類磁鐵的量成比例。一般情況下，為了提高輸出功率，大多是增加磁鐵用量。然而，保證磁鐵在高溫下不退磁的添加劑Dy（鏑）等稀土類元素大多依賴從中國進(jìn)口，因此，除了有不能穩(wěn)定供給的風(fēng)險(xiǎn)之外，價(jià)格也有上漲的可能。

采用輔助線圈進(jìn)行的嘗試

新開發(fā)的馬達(dá)與以往的驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)一樣，由定子（主線圈）及轉(zhuǎn)子構(gòu)成。新增加的一點(diǎn)是，在馬達(dá)內(nèi)部追加了可增強(qiáng)或者減弱永久磁鐵的磁通的輔助線圈（圖2）。輔助線圈以夾持轉(zhuǎn)子表面的方式進(jìn)行配置。每臺(tái)驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)使用2個(gè)輔助線圈。雖然稀土類磁鐵產(chǎn)生的磁通一直保持恒定，但通過追加輔助線圈，就能根據(jù)轉(zhuǎn)速及扭矩，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充磁鐵的磁通的“增強(qiáng)磁場”以及相反的“減弱磁場”（圖3）。

圖2驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)的試制機(jī)

照片為1/3尺寸的試制機(jī)。通過仿真已確認(rèn)，可以與現(xiàn)有混合動(dòng)力車的驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)相同的尺寸產(chǎn)生同等的輸出功率。圖3通過輔助線圈進(jìn)行的磁場控制

通過對(duì)輔助線圈中流通的電流進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)磁場及減弱磁場。

采用輔助線圈方式的提案，并不是第一次。美國威斯康辛（Wisconsin）大學(xué)的T.A.Lipo等人曾經(jīng)發(fā)表過此類提案。

威斯康辛大學(xué)的方式是，沿定子的圓周方向?qū)⑤o助線圈配置在定子中。不過，轉(zhuǎn)子及定子的鐵芯不是硅鋼板及軟磁性復(fù)合材料（SMC），而是采用了軟鐵塊。由于是軟鐵塊，因而具有磁通可在馬達(dá)的軸方向上流通的優(yōu)點(diǎn)，但由于時(shí)常會(huì)產(chǎn)生渦電流，因此效率較差。

而名古屋工業(yè)大學(xué)在仿真的基礎(chǔ)上，不僅成功地借助輔助線圈產(chǎn)生了接近于磁鐵磁力3倍的磁通，還通過減弱磁場將磁鐵磁力減小到了零（圖4）。圖4的縱軸表示輔助線圈產(chǎn)生的磁通的強(qiáng)度?？v軸0為輔助線圈中沒有電流流通的狀態(tài)，只有磁鐵的磁通在其中流通。如果縱軸為100（％），則是可借助輔助線圈產(chǎn)生與磁鐵相同的磁通。縱軸為258％時(shí)，可產(chǎn)生磁鐵的2.58倍的磁通。

圖4磁場控制的對(duì)比

以（a）實(shí)際大?。ǚ抡妫?、以及（b）1/3比例尺（仿真與實(shí)測值）測量了增強(qiáng)磁場及減弱磁場的數(shù)值。增強(qiáng)磁場的理想狀態(tài)是，在較小的電流下數(shù)值增大。減弱磁場的理想狀態(tài)是，可在較小的電流下使磁場減小到零（調(diào)整率為-100％）。

同樣，-100（％）表示可借助輔助線圈消除磁鐵的磁力。橫軸表示磁場。較小的電流便能使縱軸數(shù)值發(fā)生變化的話，則效率較高。

為了確認(rèn)仿真的數(shù)值，我們在1/3尺寸的馬達(dá)上將試制品與仿真結(jié)果（3維FEM）進(jìn)行了對(duì)比。其結(jié)果是，通過仿真及試制機(jī)在增強(qiáng)磁場及減弱磁場時(shí)都獲得了同等的數(shù)值。

馬達(dá)的工作狀態(tài)使得磁場發(fā)生變化

采用增強(qiáng)磁場及減弱磁場兩者中的哪一種，取決于驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)的工作狀態(tài)。具體而言，剛剛起動(dòng)之后等轉(zhuǎn)速較低時(shí)由于需要較大的扭矩，因此采用增強(qiáng)磁場（圖5）。而在轉(zhuǎn)速較高（高速巡航時(shí)）時(shí)，為了與轉(zhuǎn)速以及磁鐵的磁通成比例地降低定子產(chǎn)生的反電動(dòng)勢及鐵損，則采用減弱磁場。此時(shí)如果能降低反電動(dòng)勢，則可提高效率。

圖5驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)的轉(zhuǎn)速及扭矩圖

在較低的轉(zhuǎn)速下，通過增強(qiáng)磁場使其產(chǎn)生較高的扭矩。而在較高的轉(zhuǎn)速下，通過改為減弱磁場，可降低反電動(dòng)勢及鐵損，從而通過效率。

通常，如果馬達(dá)的轉(zhuǎn)速到達(dá)某一特定的數(shù)值，扭矩會(huì)降低。因此，以往的馬達(dá)采用了一些特別對(duì)策，例如：為了在轉(zhuǎn)速較高的區(qū)段也