【电动汽车拆解】马达（十三）：借助辅助线圈控制磁场，稀土类磁铁减少一半（下）

中心议题：
    * 增强磁场及减弱磁场付诸实现
    * 允许磁通3维通过的铁芯
    * 磁铁的磁通有两种

增强磁场及减弱磁场付诸实现

在此次开发的马达中，辅助线圈起到增强磁场及减弱磁场的两种作用（图6）。在减弱磁场时，可通过施加与磁铁磁力相反方向的磁通，使磁铁的磁通减小到零。其结果是，可降低（包括降低到零）施加在定子上的反电动势，并可将定子的电流高效率地转换为驱动力。

图6　磁通流的变化

（a）辅助线圈中没有直流电流通时的磁通流（转子的永久磁铁所产生的）。（b）在辅助线圈中通入直流电，增加了增强磁场的磁通时。（c）在辅助线圈中与（b）逆向通入电流，增加了减弱磁场的磁通时。

通过马达的磁通，与以往驱动用马达的磁通不同。具体而言，此前的驱动用马达在转子与定子之间，磁通沿着2维方向通过。而此次的马达在转子与定子间产生3维（包括马达旋转轴的方向）的磁通。

以往的EV及HEV所采用的转子及定子，为硅钢板堆叠而成的构造。虽然在硅钢板堆叠的方向（马达的轴方向）上磁通不容易通过，但在薄板内磁通容易通过。因此，以往是以2维的磁通为前提来设计马达的。

而此次开发的马达由于采用了磁通可3维通过的构造，因此，在马达的厚度方向上磁通也能通过。磁通2维通过的部位像以前一样由硅钢板堆叠而成，而磁通沿马达的轴方向通过的部位则换成了SMC（软磁性复合材料）。SMC是对铁粉等具有磁性的粒子表面进行绝缘皮膜处理而成的。虽然在所有方向上允许磁通通过，但由于进行了绝缘处理，因而具有涡电流损失较少的优点。

允许磁通3维通过的铁芯

与已有的驱动用马达相比，此次马达的构造在转子及定子的构造、永久磁铁的配置、铁芯的配置及材料、辅助线圈的使用这些方面有所不同。

转子与永久磁铁采用的是由2枚转子夹持圆盘状永久磁铁的构造。虽然转子是由硅钢板堆叠而成的，但采用了转子的轴附近配置SMC、从而使磁通可沿轴方向通过的构造。

由于2枚转子的相位相互交错重叠在一起，因此，转子产生的磁铁磁通成为贯穿作为定子的主线圈的交链磁通。如果一次线圈的磁通发生变化、则二次线圈上就会产生电压，交链磁通符合电磁感应原理。一次线圈为磁铁及辅助线圈，二次线圈相当于主线圈。

假如2枚转子不错开相位而重合在一起，那么，由于转子产生的磁铁磁通与作为定子的主线圈的磁通不交差，因此，两者的磁通不会成为交链磁通。即使改变一次线圈的磁通，如果一次线圈的磁通不贯穿二次线圈的话，那么二次线圈的电压仍不会发生变化。

辅助线圈以从左右夹持转子的方式，配置在主线圈端部的内侧。在新开发的马达中，定子（主线圈）中流通的电流像以前一样为3相交流电，但辅助线圈中流通的电流为直流电。可根据马达的转速及扭矩的数值，改变辅助线圈中流通的直流电的方向。通过改变辅助线圈的电流方向，即可增强磁铁的磁通、或者消除磁铁的磁通。辅助线圈被SMC的铁芯覆盖，磁通在辅助线圈的铁芯中通过。

磁铁的磁通有两种

此次开发的马达设想用于辅助线圈中一直有电流流通的用途。不过，即使辅助线圈中没有电流流通时，被2枚转子夹持的永久磁铁仍会产生磁通。永久磁铁的一个面为N极，相反的面为S极。其结果是，靠近永久磁铁的N极面的转子整体成为N极，靠近永久磁铁的S极的转子整体成为S极。

从嵌入转子的磁铁的N极流向S极的磁通有两种。一种是（1）按N极的转子→定子（主线圈）→S极的转子这个顺序流通的磁通。这种磁通成为与主线圈交差的“交链磁通”，因此，是做功的磁通。另一种是（2）按磁铁的N极→N极侧辅助线圈的铁芯→定子的外侧铁芯→S极侧辅助线圈的铁芯→磁铁的S极这个顺序流通的磁通。第（2）种磁通不与主线圈产生交链，因此，是不做功的磁通。

当需要增强磁场时，向辅助线圈中通入电流，以使第（1）种磁通流中从转子流向定子的磁通、以及从定子流向转子的磁通增加。需要减弱磁场时，向辅助线圈中通入电流，以消除磁铁的磁通。

在此次仿真过程中，实现了与2005年推出的雷克萨斯RX400h上配备的驱动用马达相同的尺寸、以及相同的输出功率密度（最高输出功率为123kW、输出功率密度为3.4kW/kg）。

另外，我们还制作了真机的1/3试制机。在试制机上，将转子与定子之间的空间（Gap）设为0.3mm，将转子与辅助线圈之间的空间设为0.5mm。虽然转子与辅助线圈之间的空间通过计算为0.2mm，但考虑到安装误差等，我们将其扩大到0.5mm后进行了组装。

与RX400h的驱动用马达相比，仿真时实现了同等的输出功率密度（表）。

本研究项目是在日本NEDO（新能源产业技术综合开发机构）的委托业务“新一代汽车用高性能蓄电系统技术开发”的支持下实施的。