【电动汽车拆解】马达（十七）：用电磁铁取代永久磁铁的驱动马达（下）

中心议题：
    * 利用铁氧体磁铁增加转矩

第二次试制使用铁氧体磁铁

图6：第二次试制时嵌入铁氧体磁铁

爪极型马达的基本构造与第一次试制时相同。通过在极与极之间嵌入铁氧体磁铁来消除励磁线圈的磁通量中对转矩无贡献的泄漏磁通量。各极采用层叠钢板，由此来抑制转子表面产生的涡电流。

第二次试制为了抑制第一次试制时最成问题的磁饱和，改为了在转子上配置铁氧体磁铁的构造（图6）。

首先，为了减轻磁饱和，采用了通过铁氧体磁铁消除励磁线圈发生的部分磁通量的构造（图7）。

励磁线圈产生的磁通量包括（1）与定子的磁通量交链，产生旋转转矩的主磁通量，（2）对旋转转矩无贡献的泄漏磁通量。

两种磁通量沿同一方向穿过线圈周围。如果能够抑制泄漏磁通量的话，便可增加相应量的主磁通量，提高转子与定子间间隙部分的磁通量密度。

与主磁通量相比，泄漏磁通量只有其数分之一左右。对此，第二次试制采取与励磁线圈产生的磁通量反向产生磁通量的方式配置了铁氧体磁铁。

图7：铁氧体磁铁的作用

在励磁线圈产生的主磁通量（实线）和泄漏磁通量（虚线）中，朝着消除泄漏磁能量的方向配置了铁氧体磁铁。可增加主磁通量。

由于铁氧体磁铁消除了线圈的泄漏磁通量，因此励磁线圈发出的磁通量可从转子芯有效传递到定子，从而使转子与定子间间隙部分的磁通量密度得到增加。

第二次试制将励磁磁动势增加到了4000AT，使平均磁通量密度提高至约0.6T，达到了与采用钕类磁铁的马达相同的程度（图8）。

利用铁氧体磁铁增加转矩

对嵌入铁氧体磁铁时与不嵌入铁氧体磁铁时转子与定子间产生的转矩进行比较（图9）后显示，在增加定子的电流密度的情况下，嵌入磁铁时的平均扭矩更高。即使是简单的层叠构造的磁极，通过嵌入磁铁也可获得与复杂的爪状磁极嵌入磁铁时同等的性能，使运转效率得到提高。

图9：有无铁氧体磁铁时的平均转矩比较

有磁铁时转矩比无磁铁时更高。有磁铁的话，块状爪极与层叠爪极的转矩性能为同等水平。（引自日本能率协会）

图10：集中绕组与分布绕组的比较

集中绕组与分布绕组显示出大体相同的性能。（引自日本能率协会）

　　以定子的分布绕组和集中绕组进行比较的话，平均转矩几乎没有差异（图10）。而集中绕组除了能够提高线圈占积率外，还可缩短线圈端部，因此集中绕组是更合适的选择。

第二次试制的主要指标如下。定子的外径为260mm，轴长为40mm，槽数为36。转子的极数为24，外径为185mm，轴长为70mm。

与第一次试制相比，最大变更点是追加了铁氧体磁铁，但此外还采取了将磁极改为容易量产的形状，以及通过追加层叠钢板来抑制转子表面产生的涡电流等对策。

第二次试制的课题是转子的重量以及低速大转矩区的效率。与同等性能的已有HEV用马达相比，转子的重量为其两倍，因此，为了完成最终试制，对穿过内芯的磁通量流以及内芯的构造下了一番工夫，实现了轻量化。

从效率看，在中速中转矩（巡航时）的25N·m/3000rpm下，爪极型马达达到了89％，接近钕类磁铁马达的90％（图11、12）。而在设想低速大转矩（加减速时）的65N·m/1000rpm下，爪极型马达的效率仅为83％，与钕类磁铁马达石的91％存在较大差距。

图11：试制机的转矩和效率

10kW输出功率下与模拟值（实线）对比的实测值。最大转矩为100N·m。（引自日本能率协会）

图12：试制机的效率比较

与使用已有稀土类磁铁的马达相比，要求提高低速大转矩下的效率。（引自日本能率协会）

与使用钕类磁铁的驱动马达相比，爪极型马达将流过转子端线圈的电流算作损失，因此效率较差。另外，爪极型马达在低速区时励磁线圈的铜损较大，要完成最终试制的话，还须努力使之得以改善。