【电动汽车拆解】马达（十）：不用永久磁铁的驱动马达

中心议题：
    * 不用永久磁铁的驱动马达
解决方案：
    * 借助磁阻差旋转
    * 在构造及材料上下工夫
    * 定子的根部倾斜配置

目前，电动汽车以及混合动力车的驱动马达必不可少地要采用高成本的稀土材料。东京理科大学着眼于SR马达，开发出了用于混合动力车的驱动马达。实现了与丰田上一代“普锐斯”马达同等尺寸、输出功率、扭矩及效率。另外还通过充分利用分析软件，改进了磁芯材料以及马达构造。

东京理科大学试制出了用于混合动力车用的驱动马达（图1）。其特点是采用了完全不使用磁铁的SR（开关磁阻）马达构造。这表明，即使不采用钕类磁铁等成本较高的稀土类材料，也能制造出驱动马达。

由于稀土类材料不仅受到产国以及产量的限制，而且容易成为投机的对象，因此，市场价格随着时间的不同，有时会出现2～3倍的变动。如果此次试制的驱动马达能实用化，那么，汽车厂商就能比以前更大程度地降低混合动力车的价格，并且能够面向未来制定稳定的量产计划。

图1：此次试制的驱动马达

（a）外观。驱动马达没有采用普通的IPM（内嵌式永磁同步）马达构造，而是采用了SR（开关磁阻）马达的构造。实现了与上一代“普锐斯”IPM马达同等的性能指标。（b）马达内部的磁芯构造。定子为18极，转子为12极。通过增加极数，提高了扭矩。定子上带有线圈。

丰田“普锐斯”以及本田“Insight”等代表性混合动力车的驱动马达，是在转子中嵌入钕类磁铁而成的IPM（内嵌式永磁同步）马达。IPM马达由于既可利用磁铁扭矩、又可利用磁阻（Reluctance）扭矩，因此，效率及性能较高。然而，由于制造起来仍然依赖钕类磁铁，所以希望有新的解决方案。

另一方面，SR马达虽然具有不使用磁铁的特点，但由于不能利用磁铁扭矩，只能利用磁阻扭矩，因而存在着效率及扭矩较低的问题。因此，要想实现混合动力车所需要的效率及扭矩，则必需加大马达的尺寸，所以采用SR马达被认为不是现实可行的方法。

此次设计的SR马达通过在马达的材料及构造上下工夫，在与丰田上一代普锐斯（2003年推出）的IPM马达同等尺寸的条件下，确保了效率、扭矩以及输出功率（表1）。具体而言，在1200rpm条件下，实现了50kW（上一代普锐斯为50kW）的输出功率、403N·m（上一代普锐斯为400N·m）的扭矩以及86％（上一代普锐斯为83％）的效率。今后，将对所试制马达的性能是否达到了设计值进行验证。

借助磁阻差旋转

SR马达利用转子与定子间产生的磁阻差，使转子产生旋转。在两者的磁阻由高变低的作用下，定子不停地吸引转子。

在转子与定子的凸极重合的地方，转子与定子的间隙（距离）变小，磁阻也变小。

相反，在间隙较大的地方，磁阻也变大。系统找出转子与定子之间磁阻减少的组合，并向对象定子的线圈中通入电流，由此使转子产生旋转。转子与定子的磁极重合时以及不重合时的电感（磁力）差越大，扭矩也越大。

在构造及材料上下工夫

此次试制的SR马达是通过马达磁场分析软件设计的。通过分析软件，选择了马达磁芯的材料以及马达的构造。

上一代普锐斯的IPM马达的积厚（磁芯的轴向厚度）为83.6mm，如果将71.4mm的线圈尾端长度（线圈突出于磁芯轴向长度之外的长度）包含在内，则约为156mm。由于线圈为分布卷绕方式，因而线圈尾端较长，磁芯的积厚不能做得太大。

而SR马达由于采用了集中卷绕方式，因此，可减短线圈尾端，相应地增大了马达磁芯的积厚。开发SR马达时，就把与上一代普锐斯的IPM马达相同的大小的扭矩作为了开发目标。

磁芯材料方面，为板厚为0.35mm的硅钢板，与普锐斯等车型上通用的“35A300”（JIS标准）与JFE钢铁的“10JNEX900”（厚度为0.10mm）进行了对比。10JNEX900含有6.5％的硅。

随着频率增高，通用件35A300的铁损增幅变得比10JNEX900更大（图2）。此处的频率与转子的极数成比例。另外，已知如果增加转子的极数，则扭矩增大。也就是说，较大的扭矩可通过增加极数来得到（表2）。通过分析软件的估算得知，如果定子/转子的极数从6:4变成8:6，则最大扭矩从 160N·m增至221N·m。

图2：提高频率后的铁损对两种磁芯的钢板进行了对比。如果频率增大，则铁损出现显著差异。

在相同极数的马达方面，在对2种钢板进行对比时（1200rpm时），通用型的35A300获得了较大的扭矩（表3）。由此前的分析可以认为，采用通用型的35A300对扭矩有利。然而，混合动力车用马达还需要提高效率。效率可表示为如下算式。

效率＝输出功率（W）/（输出功率（W）＋铁损（W）＋铜损（W））

输出功率＝扭矩（N·m）×旋转角速度（rad/s）

效率越高，就表示能够将铁损及铜损降低到越少的程度。而铁损会随转速的升高而增大，铜损会随着扭矩的增大而增加。通过对2块钢板制作效率图后发现，高速（高转速区：3000～7000rpm）下的效率方面，10JNEX900显示高出了2～3％的数值。这是由于高转速（高频）区的铁损较少的缘故。

而在低转速区（1200rpm）对2块钢板进行对比时，可以看出35A300的钢板的扭矩及效率都相当好（表3）。然而，在极数（定子/转子）为18 /12的马达方面，如果在混合动力车实际行驶过程中经常到达的高转速区（比如3000rpm）对效率进行对比的话，可以看出与通过效率图估算的一样，10JNEX900的效率较好（图3）。

图3：不同钢板的效率（3000rpm时）

混合动力车使用频度较多的高转速区（3000rpm）的情况。低输出功率时的效率方面，此次采用的10JNEX900高于通用钢板。

35A300在高输出功率时效率可达到93％，在20kW以下时效率则会降低。而10JNEX900即使在0～20kW的低输出功率时，仍可保持着95％以上的高效率。

如上所述，如果仅从扭矩来看，35A300较好，但如果同时考虑到以混合动力方式使用的低输出功率时的效率，则10JNEX900略胜一筹。

由于18/12马达与12/8马达相比，极数增加，所以线圈尾端可以减短。相应地，磁芯的积厚从125mm增加到了135mm。通过增加积厚来增加了扭矩。

定子的根部倾斜配置

为了使1200rpm转速下的扭矩与上一代普锐斯相同，定子的各凸极根部倾角从3度增大到了10度（表4）。其结果是，定子的饱和磁通上升，从而可通入更大的电流。此前，在定子的根部，磁通流为瓶颈。此次通过扩大定子的根部，成功地提高了扭矩（图4、5）。

图4　不同倾斜角下的扭矩如果增大定子根部的倾斜角，则可提高扭矩。线圈占积率也得到提高。

图5：定子根部的形状（a）倾斜角为3度的定子，（b）倾斜角为10度的定子。

不过，如果只倾斜定子的根部，由于插槽的面积会减少，因而线圈的截面积也将减少。所以相应地将转子的直径从200mm减小到了180mm，由此增加了定子的厚度，确保了线圈的面积。

最后，对于18/12的马达（1200rpm），按照钢板种类对比的结果制作成了“SRM1”与“SRM2”，将增加了定子倾角的制作成了 “SRM3”。在SRM2中，平均扭矩为370N·m，效率为77.8 ％。而SRM3则扭矩增加到了400N·m，效率增加到了84.3％。

今后，将着手进行逆变器的标准化、减小振动以及降低成本。SR马达的逆变器电路与采用磁铁的IPM马达不同。因此，试制SR马达用逆变器时必需特别进行设计，成本也会增加。假如能够利用已有的IPM马达的逆变器电路，那么SR马达的逆变器就能实现小型化及低成本化。

此次使用的厚度为0.1mm的钢板材料的磁致伸缩比0.35mm的钢板更少，在振动方面较为有利。今后则计划通过提高定子的刚性等措施，将振动降低到与IPM马达同等程度。在低成本化方面，由于0.1mm的钢板材料为特殊材料，因此，还希望探讨使用通用的0.35m钢板来获得同等性能。