電動汽車拆解馬達通過切換馬達線圈在大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持輸出功率

電動汽車拆解馬達通過切換馬達線圈在大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持輸出功率

安川電機開發(fā)出了供EV（電動汽車）及HEV（混合動力車）使用的“QMETDrive”馬達驅(qū)動系統(tǒng)，并實現(xiàn)了實用化（圖1）。該系統(tǒng)的特點是采用了稱為“QMET”（QualifiedMagneto-ElectoronicTransmission）的技術(shù)，該技術(shù)可根據(jù)馬達的轉(zhuǎn)速來切換電流流經(jīng)的線圈，從而使馬達一直保持90％以上的效率。

圖1：驅(qū)動馬達系統(tǒng)“QMETDrive”

采用通過半導(dǎo)體開關(guān)來切換驅(qū)動馬達線圈的“QMET”技術(shù)。（a）驅(qū)動馬達、（b）逆變器。

原來的馬達在運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)存在某一扭矩和速度（轉(zhuǎn)速）下效率達到最高值的點，偏離該點，效率就會逐漸下降。采用低轉(zhuǎn)速下獲得高效率的設(shè)計時，就會出現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速下效率顯著下降的問題（圖2）。

圖2：馬達效率分布

效率高的點在低轉(zhuǎn)速范圍和高轉(zhuǎn)速范圍中有所不同。（a）通過切換線圈的數(shù)量，可大范圍確保效率高的點。（b）線圈切換馬達的效率分布示例。

而切換線圈的馬達在高轉(zhuǎn)速下也可保持高效率。這樣，EV及HEV便可在控制所配充電電池容量的同時，確保持續(xù)行駛距離。

新開發(fā)的驅(qū)動馬達系統(tǒng)在馬自達2009年開始租售的串聯(lián)HEV“普利馬氫轉(zhuǎn)子發(fā)動機混合動力車（PremacyHydrogenREHybrid）”上首次被采用。安川電機運用QMET技術(shù)，在2010年開發(fā)出了輸出功率不同的3種EV通用馬達。

在串聯(lián)HEV上采用馬自達普利馬氫轉(zhuǎn)子發(fā)動機混合動力車是一款串聯(lián)HEV。串聯(lián)HEV雖然配備有發(fā)動機，但并非將發(fā)動機直接用作驅(qū)動力，而是被用于使發(fā)電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電力。

HEV起動時發(fā)動機停止工作，僅憑馬達來驅(qū)動。行駛時電池停止向馬達供電，通過發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)，憑借發(fā)電機生產(chǎn)的電力來驅(qū)動馬達。另一方面，在坡道及超車等需要使用大功率進行加速時，發(fā)動機就會起動，通過電池和發(fā)電機同時提供電力來驅(qū)動馬達。而減速時，馬達就起到發(fā)電機的作用。

馬自達采用的驅(qū)動馬達系統(tǒng)“QMETDrive”由支持線圈切換的驅(qū)動馬達、逆變器及電子式線圈切換電路（開關(guān)）構(gòu)成。驅(qū)動馬達在內(nèi)側(cè)配備了嵌入磁鐵的轉(zhuǎn)子，在外側(cè)則配備帶線圈的定子。

EV及HEV使用的驅(qū)動馬達要求在低轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)高扭矩以及大額定功率，但問題是很難在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都保持高效率。而安川電機開發(fā)的馬達在低轉(zhuǎn)速時使用整個線圈，在高轉(zhuǎn)速時只使用約半個線圈，通過切換線圈，同時具有低速和高速時的馬達特性，從而可保持高效率。

馬達的開發(fā)背景在于驅(qū)動馬達存在的課題。驅(qū)動馬達一般通過向線圈施加逆變器的電壓，使電流流過線圈，由此來旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子。但這時線圈上會與轉(zhuǎn)速成比例地產(chǎn)生反電動勢。

在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，只能施加從逆變器電壓中扣除反電動勢后的電壓，不讓電流流過線圈。由于扭矩與電流成比例，因此電流少的話，扭矩就會變小，進而在某一轉(zhuǎn)速下變成零，這樣馬達轉(zhuǎn)速就無法超過某個水平。EV及HEV需要在低轉(zhuǎn)速到高轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)輸出扭矩，因此需要采取相應(yīng)的對策。

為了解決這一課題，各公司以有別于向線圈輸出扭矩的目的，在不同于扭矩輸出用電流的相位上流過電流。也就是施加用以消除反電動勢的“弱勵磁”（圖3）。雖然憑借弱勵磁可在某一程度的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸出扭矩，但這樣仍不足以支持EV及HEV所需要的大轉(zhuǎn)速范圍。于是，安川電機導(dǎo)入了根據(jù)轉(zhuǎn)速來切換線圈的QMET驅(qū)動技術(shù)（圖4、5）。當驅(qū)動馬達的轉(zhuǎn)速達到指定數(shù)值時，就會切換馬達線圈，使反電動勢降低。這時，在高轉(zhuǎn)速下也無需弱勵磁，從而保持高效率。

圖3：抑制線圈產(chǎn)生的反電動勢

高轉(zhuǎn)速時，為抑制線圈產(chǎn)生的反電動勢，施加弱勵磁。此外還采用了線圈切換及升壓變頻器等手段。圖4：驅(qū)動馬達線圈的構(gòu)成

使用低轉(zhuǎn)速用和高轉(zhuǎn)速用兩種線圈。低轉(zhuǎn)速時使用整個線圈，而高轉(zhuǎn)速時減少線圈。圖5：線圈切換系統(tǒng)

由切換線圈的半導(dǎo)體開關(guān)、逆變器及驅(qū)動馬達構(gòu)成。半導(dǎo)體開關(guān)有低轉(zhuǎn)速時使用的開關(guān)1（SW1）和高轉(zhuǎn)速時使用的開關(guān)2（SW2），根據(jù)轉(zhuǎn)速決定打開哪一個。

一般而言，為了克服線圈上產(chǎn)生的反電動勢，大多在電池與逆變器之間使用升壓變頻器。即使線圈發(fā)生超過逆變器電壓的反電動勢，通過利用升壓變頻器提高逆變器的直流電壓，可由逆變器施加克服馬達反電動勢的電壓。

抑制反電動勢但是，使用升壓變頻器時，除了需要提高逆變器中所配的功率半導(dǎo)體的耐壓值之外，升壓電路中的功率半導(dǎo)體及電抗器還會產(chǎn)生損失，從而使效率下降。以前的方法是即便效率略有所下降仍使用升壓變頻器。

QMET驅(qū)動技術(shù)可通過切換線圈降低馬達電壓，因此無需提高逆變器所配功率半導(dǎo)體的耐壓值，只需考慮線圈切換開關(guān)中的功率半導(dǎo)體的導(dǎo)通損失，即可防止效率大幅下降。

安川電機以前一直在機床主軸馬達驅(qū)動等產(chǎn)業(yè)用途中，使用帶線圈切換功能的馬達驅(qū)動技術(shù)。為了使該技術(shù)適用于EV及HEV，此次將機械式開關(guān)換成了半導(dǎo)體（IGBT：InsulatedGateBipolarTransistor）開關(guān)。在切換時間上，將產(chǎn)業(yè)用途需要的數(shù)百ms縮短到了近于零秒（圖6）。

圖6：抑制線圈切換時的不適感

線圈切換前（低速）和后（高速）的馬達轉(zhuǎn)速變化。由于轉(zhuǎn)速變化小，因此不會給用戶帶來不適感。

QMET驅(qū)動技術(shù)使得用戶感覺不到切換線圈的動作，從低速到高速、從高速到低速均可順利切換，即使在實際的車輛上，也不易察覺到線圈的切換動作。

至于線圈切換存在的課題，則是電力電纜數(shù)量的增加以及隨之而來的重量增加及布線復(fù)雜化。

要想解決這些課題，需要將線圈切換開關(guān)內(nèi)置到馬達中，像操縱普通三相馬達一樣實現(xiàn)線圈切換。為了將半導(dǎo)體開關(guān)內(nèi)置到馬達中，除了在結(jié)構(gòu)上下工夫，消除馬達線圈的熱量對半導(dǎo)體元件的影響之外，還提高了抗振動性。

三種通用馬達的最高輸出功率分別為47kW、60kW、120kW。通過提供三種功率不同的馬達，可滿足多種車型的需要。

磁鐵非對稱配置為了提高驅(qū)動馬達的效率，安川電機對磁鐵的形狀和配置下了一番工夫（圖7）。安川電機將永久磁鐵設(shè)計成了呈V字形配置的非對稱設(shè)計，而非左右對稱設(shè)置，提高了某一個方向的效率。

圖7：驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)子中嵌入的永久磁鐵的配置

永久磁鐵呈V字形嵌入。通常為左右對稱（上）嵌入，而此次通過非對稱（下）嵌入提高了效率。

這樣做的理由是車輛上的驅(qū)動馬達在旋轉(zhuǎn)時分為前進（正轉(zhuǎn)）和后退（反轉(zhuǎn)）兩種狀態(tài)，兩者相比，前進占大部分使用頻率，所以前進時的高效率更受重視。

嵌入的磁鐵，其轉(zhuǎn)子和定子之間存在因磁鐵磁通量而相互吸引的磁鐵扭矩，以及轉(zhuǎn)子芯與定子芯之間產(chǎn)生的磁阻扭矩。通過改變嵌入磁鐵的形狀，便可錯開這些扭矩的相位。

通過將磁鐵扭矩和磁阻扭矩的和、即合