【电动汽车拆解】马达（十二）：借助辅助线圈控制磁场，稀土类磁铁减少一半（上）

中心议题：
    * 电动汽车拆解情况
解决方案：
    * 采用辅助线圈进行尝试
    * 马达的工作状态使磁场发生变化

日本名古屋工业大学开发出了采用辅助线圈提高输出功率密度的驱动用马达。通过改变在辅助线圈中流通的直流电的方向，可增强或者减弱永久磁铁的磁通。在马达转速较低时，借助“增强磁场”来提高输出功率。如果转速升高时，则可通过“减弱磁场”来降低反电动势及铁损，从而提高效率。

名古屋工业大学面向EV（电动汽车）及HEV（混合动力车）用途，开发出了提高输出功率密度的驱动用马达（图1）。

其特点是，为了提高输出功率密度，不像以往那样大量使用稀土类磁铁，而是采用了在定子一侧追加辅助线圈，借此补充稀土类磁铁的磁通的构造。在只有丰田于2005年推出的“雷克萨斯RX400h”驱动用马达的磁铁量一半的情况下，却获得了同等的输出功率密度。

图1　此次开发的驱动用马达的构造

与以往的驱动用马达一样，在转子的外周侧配置定子。此次新增的一点是，以从左右夹持转子面的方式配置辅助线圈。

驱动用马达的输出功率及扭矩与稀土类磁铁的量成比例。一般情况下，为了提高输出功率，大多是增加磁铁用量。然而，保证磁铁在高温下不退磁的添加剂Dy（镝）等稀土类元素大多依赖从中国进口，因此，除了有不能稳定供给的风险之外，价格也有上涨的可能。

采用辅助线圈进行的尝试

新开发的马达与以往的驱动用马达一样，由定子（主线圈）及转子构成。新增加的一点是，在马达内部追加了可增强或者减弱永久磁铁的磁通的辅助线圈（图 2）。辅助线圈以夹持转子表面的方式进行配置。每台驱动用马达使用2个辅助线圈。虽然稀土类磁铁产生的磁通一直保持恒定，但通过追加辅助线圈，就能根据转速及扭矩，实现补充磁铁的磁通的“增强磁场”以及相反的“减弱磁场”（图3）。

图2　驱动用马达的试制机

照片为1/3尺寸的试制机。通过仿真已确认，可以与现有混合动力车的驱动用马达相同的尺寸产生同等的输出功率。

图3　通过辅助线圈进行的磁场控制

通过对辅助线圈中流通的电流进行控制，以实现增强磁场及减弱磁场。

采用辅助线圈方式的提案，并不是第一次。美国威斯康辛（Wisconsin）大学的T.A.Lipo等人曾经发表过此类提案。

威斯康辛大学的方式是，沿定子的圆周方向将辅助线圈配置在定子中。不过，转子及定子的铁芯不是硅钢板及软磁性复合材料（SMC），而是采用了软铁块。由于是软铁块，因而具有磁通可在马达的轴方向上流通的优点，但由于时常会产生涡电流，因此效率较差。

而名古屋工业大学在仿真的基础上，不仅成功地借助辅助线圈产生了接近于磁铁磁力3倍的磁通，还通过减弱磁场将磁铁磁力减小到了零（图4）。图4的纵轴表示辅助线圈产生的磁通的强度。纵轴0为辅助线圈中没有电流流通的状态，只有磁铁的磁通在其中流通。如果纵轴为100（％），则是可借助辅助线圈产生与磁铁相同的磁通。纵轴为258％时，可产生磁铁的2.58倍的磁通。

图4　磁场控制的对比

以（a）实际大小（仿真）、以及（b）1/3比例尺（仿真与实测值）测量了增强磁场及减弱磁场的数值。增强磁场的理想状态是，在较小的电流下数值增大。减弱磁场的理想状态是，可在较小的电流下使磁场减小到零（调整率为-100 ％）。

同样，-100（％）表示可借助辅助线圈消除磁铁的磁力。横轴表示磁场。较小的电流便能使纵轴数值发生变化的话，则效率较高。

为了确认仿真的数值，我们在1/3尺寸的马达上将试制品与仿真结果（3维FEM）进行了对比。其结果是，通过仿真及试制机在增强磁场及减弱磁场时都获得了同等的数值。

马达的工作状态使得磁场发生变化

采用增强磁场及减弱磁场两者中的哪一种，取决于驱动用马达的工作状态。具体而言，刚刚起动之后等转速较低时由于需要较大的扭矩，因此采用增强磁场（图 5）。而在转速较高（高速巡航时）时，为了与转速以及磁铁的磁通成比例地降低定子产生的反电动势及铁损，则采用减弱磁场。此时如果能降低反电动势，则可提高效率。

图5　驱动用马达的转速及扭矩图

在较低的转速下，通过增强磁场使其产生较高的扭矩。而在较高的转速下，通过改为减弱磁场，可降低反电动势及铁损，从而通过效率。

通常，如果马达的转速到达某一特定的数值，扭矩会降低。因此，以往的马达采用了一些特别对策，例如：为了在转速较高的区段也能产生扭矩，追加升压器提高电压使其运行，或者在较高转速下减少线圈的数量等。而且，虽然已知反电动势与磁铁的磁通成比例增减，但由于此前不能将反电动势完全减小到零，因此，效率的提高存在极限。