【电动汽车拆解】马达（十一）：通过切换马达线圈，在大转速范围内保持输出功率

中心议题：
    * 电动汽车拆解情况
解决方案：
    * 在串联HEV上 采用
    * 抑制反电动势
    * 磁铁非对称配置

安川电机开发出了供EV（电动汽车）及HEV（混合动力车）使用的“QMET Drive”马达驱动系统，并实现了实用化（图1）。该系统的特点是采用了称为“QMET”（Qualified Magneto-ElectoronicTransmission）的技术，该技术可根据马达的转速来切换电流流经的线圈，从而使马达一直保持90％以上的效率。

图1：驱动马达系统“QMET Drive”

采用通过半导体开关来切换驱动马达线圈的“QMET”技术。（a）驱动马达、（b）逆变器。

原来的马达在运转范围内存在某一扭矩和速度（转速）下效率达到最高值的点，偏离该点，效率就会逐渐下降。采用低转速下获得高效率的设计时，就会出现在高转速下效率显著下降的问题（图2）。

图2：马达效率分布

效率高的点在低转速范围和高转速范围中有所不同。（a）通过切换线圈的数量，可大范围确保效率高的点。（b）线圈切换马达的效率分布示例。

而切换线圈的马达在高转速下也可保持高效率。这样，EV及HEV便可在控制所配充电电池容量的同时，确保持续行驶距离。

新开发的驱动马达系统在马自达2009年开始租售的串联HEV“普利马氢转子发动机混合动力车（Premacy Hydrogen RE Hybrid）”上首次被采用。安川电机运用QMET技术，在2010年开发出了输出功率不同的3种EV通用马达。

在串联HEV上采用

马自达普利马氢转子发动机混合动力车是一款串联HEV。串联HEV虽然配备有发动机，但并非将发动机直接用作驱动力，而是被用于使发电机旋转产生电力。

HEV起动时发动机停止工作，仅凭马达来驱动。行驶时电池停止向马达供电，通过发动机的旋转，凭借发电机生产的电力来驱动马达。另一方面，在坡道及超车等需要使用大功率进行加速时，发动机就会起动，通过电池和发电机同时提供电力来驱动马达。而减速时，马达就起到发电机的作用。

马自达采用的驱动马达系统“QMET Drive”由支持线圈切换的驱动马达、逆变器及电子式线圈切换电路（开关）构成。驱动马达在内侧配备了嵌入磁铁的转子，在外侧则配备带线圈的定子。

EV及HEV使用的驱动马达要求在低转速下实现高扭矩以及大额定功率，但问题是很难在整个转速范围内都保持高效率。而安川电机开发的马达在低转速时使用整个线圈，在高转速时只使用约半个线圈，通过切换线圈，同时具有低速和高速时的马达特性，从而可保持高效率。

马达的开发背景在于驱动马达存在的课题。驱动马达一般通过向线圈施加逆变器的电压，使电流流过线圈，由此来旋转转子。但这时线圈上会与转速成比例地产生反电动势。

在高转速范围内，只能施加从逆变器电压中扣除反电动势后的电压，不让电流流过线圈。由于扭矩与电流成比例，因此电流少的话，扭矩就会变小，进而在某一转速下变成零，这样马达转速就无法超过某个水平。EV及HEV需要在低转速到高转速的范围内输出扭矩，因此需要采取相应的对策。

为了解决这一课题，各公司以有别于向线圈输出扭矩的目的，在不同于扭矩输出用电流的相位上流过电流。也就是施加用以消除反电动势的“弱励磁”（图 3）。虽然凭借弱励磁可在某一程度的转速范围内输出扭矩，但这样仍不足以支持EV及HEV所需要的大转速范围。于是，安川电机导入了根据转速来切换线圈的 QMET驱动技术（图4、5）。当驱动马达的转速达到指定数值时，就会切换马达线圈，使反电动势降低。这时，在高转速下也无需弱励磁，从而保持高效率。

图3：抑制线圈产生的反电动势

高转速时，为抑制线圈产生的反电动势，施加弱励磁。此外还采用了线圈切换及升压变频器等手段。

图4：驱动马达线圈的构成

使用低转速用和高转速用两种线圈。低转速时使用整个线圈，而高转速时减少线圈。

图5：线圈切换系统

由切换线圈的半导体开关、逆变器及驱动马达构成。半导体开关有低转速时使用的开关1（SW1）和高转速时使用的开关2（SW2），根据转速决定打开哪一个。

一般而言，为了克服线圈上产生的反电动势，大多在电池与逆变器之间使用升压变频器。即使线圈发生超过逆变器电压的反电动势，通过利用升压变频器提高逆变器的直流电压，可由逆变器施加克服马达反电动势的电压。

抑制反电动势

但是，使用升压变频器时，除了需要提高逆变器中所配的功率半导体的耐压值之外，升压电路中的功率半导体及电抗器还会产生损失，从而使效率下降。以前的方法是即便效率略有所下降仍使用升压变频器。

QMET驱动技术可通过切换线圈降低马达电压，因此无需提高逆变器所配功率半导体的耐压值，只需考虑线圈切换开关中的功率半导体的导通损失，即可防止效率大幅下降。

安川电机以前一直在机床主轴马达驱动等产业用途中，使用带线圈切换功能的马达驱动技术。为了使该技术适用于EV及HEV，此次将机械式开关换成了半导体（IGBT：Insulated Gate BipolarTransistor）开关。在切换时间上，将产业用途需要的数百ms缩短到了近于零秒（图6）。

图6：抑制线圈切换时的不适感

线圈切换前（低速）和后（高速）的马达转速变化。由于转速变化小，因此不会给用户带来不适感。

QMET驱动技术使得用户感觉不到切换线圈的动作，从低速到高速、从高速到低速均可顺利切换，即使在实际的车辆上，也不易察觉到线圈的切换动作。

至于线圈切换存在的课题，则是电力电缆数量的增加以及随之而来的重量增加及布线复杂化。

要想解决这些课题，需要将线圈切换开关内置到马达中，像操纵普通三相马达一样实现线圈切换。为了将半导体开关内置到马达中，除了在结构上下工夫，消除马达线圈的热量对半导体元件的影响之外，还提高了抗振动性。

三种通用马达的最高输出功率分别为47kW、60kW、120kW。通过提供三种功率不同的马达，可满足多种车型的需要。

磁铁非对称配置

为了提高驱动马达的效率，安川电机对磁铁的形状和配置下了一番工夫（图7）。安川电机将永久磁铁设计成了呈V字形配置的非对称设计，而非左右对称设置，提高了某一个方向的效率。

图7：驱动马达转子中嵌入的永久磁铁的配置

永久磁铁呈V字形嵌入。通常为左右对称（上）嵌入，而此次通过非对称（下）嵌入提高了效率。

这样做的理由是车辆上的驱动马达在旋转时分为前进（正转）和后退（反转）两种状态，两者相比，前进占大部分使用频率，所以前进时的高效率更受重视。

嵌入的磁铁，其转子和定子之间存在因磁铁磁通量而相互吸引的磁铁扭矩，以及转子芯与定子芯之间产生的磁阻扭矩。通过改变嵌入磁铁的形状，便可错开这些扭矩的相位。

通过将磁铁扭矩和磁阻扭矩的和、即合成扭矩设定到比对称配置更大的水平，在产生相同扭矩时，便可减小流经线圈的电流。也就是说，尽管程度有限，但通过改变磁铁配置位置能够提高效率（图8）。

图8：流经驱动马达的电流扭矩固定时正转（前进时）和反转（后通时）的电流值比较。通过非对称嵌入磁铁，正转时（加速或减速均）只需投入比反转时少的电流。