【电动汽车拆解】马达（十六）：用电磁铁取代永久磁铁的驱动马达（上）

中心议题：
    * 省去滑环设计
    * 第一次试制时内芯采用铁块

三菱电机试制出了不使用钕类磁铁的驱动用马达（图1），用电磁铁取代了嵌入转子的钕类永久磁铁。

图1：爪极型马达试制品的转子

两次试制的产品。不使用稀土类磁铁，目标是实现与已有的混合动力车（HEV）同等的输出功率密度及转矩密度。

开发目标是混合动力车（HEV）使用的驱动马达。HEV用马达通常配备在发动机附近，要求具有高耐热性，此外还与发动机一同安装在发动机室内，需要缩短轴长。新型马达解决了这些课题。

此次开发的马达采用发动机汽车的发电机所采用的、被称为爪极（Claw Pole）型的转子构造。转子的各极形成了爪与爪交错重叠的构造。

图2：马达试制品的构造

在转子内部配备专用线圈“励磁线圈”，通过直流电流。转子的磁极呈N极与S极交错排列状态。

爪极型马达并未像已有的HEV用马达那样在转子内部嵌入稀土类磁铁，而是在转子内部配置了专用线圈“励磁线圈”（图2及表）。励磁线圈在转子磁极内部围绕着中心轴配置。

省去滑环

不过，普通发电机采用转子和励磁线圈同时旋转的构造，因此需要配备滑环和电刷。而此次不同，转子与用于卷取线圈的底座是分离的。线圈和线圈底座固定在马达机架上，所以即使转子旋转，线圈和线圈底座也不会转动。由于可省去滑环和电刷，因此不存在如何来确保电刷寿命的问题。另外，通过使用供电线来通过大电流，还可瞬间产生高转矩。

此次开发的马达只是转子的技术提案，因此定子能够与集中绕组及分布绕组等各种绕线方式相组合。

从转子的N极发出的磁通量在穿过定子的绕线后再返回至转子上相邻的S极。如果缩短转子表面的爪状磁极间的空隙，励磁线圈产生的磁通量就无法充分到达定子，而在转子内部发生短路，因此需要一定程度的间隙。不过，间隙过大的话，磁极表面的面积就会减小，使转矩降低，所以需要确保适当的数值。

在开始开发的2008年度通过的第一次试制中通过加大发电机确认了基本性能，对实现目标有了一定的把握。不过，只是单纯加大发电机的话，用于HEV时性能就会存在极限。因此，2009年度进行了第二次试制，并计划在2011年度完成最终试制。

在性能上是力争达到与最大输出功率为10kW，最大扭矩为100N·m级别的弱HEV用马达同等的性能。计划在最终试制前提高至与已有HEV马达相当的水平，即输出功率密度为1kW/kg，扭矩密度为5N·m/kg（图3）。

图3：开发目标

以实现与已有HEV同等的转矩密度（5N·m/kg）及输出功率密度（1kW/kg）为目标推进开发。（引自日本能率协会）

第一次试制时内芯采用铁块

第一次试制的爪极型马达与发电机一样用铁块制成转子芯。转子芯每隔一极组合两块爪状部件（图4）。两块转子芯部件通过非磁性环连接。

图4：转子的构成部件

重叠两块转子部件，在内部配置线圈。（引自日本能率协会）

转子芯被固定在输出轴上产生转矩，只有成为励磁线圈底座的部分经由间隙与转子芯体分离。励磁线圈基座被固定在马达机架等外部构造部件上。励磁线圈基座的作用是在支撑圆筒状励磁线圈的同时，通过材质采用磁性材料来承当励磁线圈的磁路。线圈中通过直流电（DC）的话，转子就会产生固定方向的磁通量。该磁通量取代了永久磁铁。第一次试制时的主要指标如下。定子的轴长为35mm，外径为260mm。转子的极数为32，外径为218mm，轴长为60mm。

第一次试制由于内芯发生磁饱和，因此磁通量的提高存在极限（图5）。经模拟显示，转子端线圈的励磁磁动势达到3000AT（ampere-turn，安匝数）的话，产生的磁通量（Wb）就会增加，而励磁磁动势达到3000AT以上时，即使增加电流及绕线圈数，磁通量也不会增加。

图5：第一次试制时出现的磁饱和

（a）励磁磁动势在3000AT附近时磁通量出现饱和。（b）励磁磁动势在2000～3000AT时间隙磁通量密度也存在极限。（引自日本能率协会）

从磁通量密度（T：特斯拉＝Wb/m2）来看，第一次试制时的平均磁通量密度在励磁磁动势超过3000AT时，即使增加线圈电流及绕数圈数，也只能最多达到0.5T左右，低于普通钕磁铁马达产生的0.6T。