電動汽車拆解馬達使用鐵氧體磁鐵的HEV驅(qū)動馬達

電動汽車拆解馬達使用鐵氧體磁鐵的HEV驅(qū)動馬達圖1：北海道大學開發(fā)的使用鐵氧體磁鐵的驅(qū)動用馬達

采用以2枚定子夾住1枚轉(zhuǎn)子的軸向間隙型馬達構(gòu)造?，F(xiàn)有電動汽車（EV）及混合動力車（HEV）則采用在定子軸方向內(nèi)側(cè)配置轉(zhuǎn)子的徑向間隙型馬達。使用鐵氧體磁鐵的馬達存在著扭矩低、容易發(fā)生不可逆退磁等問題，目前尚無用于汽車驅(qū)動用途的先例。此次，北海道大學通過采用與傳統(tǒng)電動汽車（EV）及混合動力車（HEV）馬達構(gòu)造不同的軸向間隙型構(gòu)造，使鐵氧體磁鐵馬達實現(xiàn)了與市售HEV用馬達同等的輸出功率密度。

北海道大學開發(fā)出了用于混合動力車（HEV）的驅(qū)動馬達（圖1）。雖然以鐵氧體磁鐵代替了Nd（釹）類磁鐵，卻實現(xiàn)了同等于現(xiàn)有Nd類磁鐵驅(qū)動馬達的性能。鐵氧體磁鐵此前存在扭矩低、容易發(fā)生不可逆退磁等問題（圖2）。此次通過解決這些課題，在同等于市售HEV（2003年上市的豐田“普銳斯”）驅(qū)動用馬達的體積下，實現(xiàn)了同等的51.5kW輸出功率（圖3，表1）。圖2：使用鐵氧體磁鐵的驅(qū)動用馬達存在的課題及對策

課題是扭矩低、鐵氧體磁鐵容易發(fā)生不可逆退磁。通過采用軸向間隙型馬達、分段構(gòu)造以及優(yōu)化定子槽數(shù)解決了這些課題。另外，與現(xiàn)有軸向間隙型馬達相比，還通過新采用分段構(gòu)造，減少了隨著轉(zhuǎn)子偏移而產(chǎn)生的機械損失。

圖3：馬達的輸出功率

在1700rpm下輸出功率可達到51.5kW。今后將確保高轉(zhuǎn)速區(qū)的輸出功率。驅(qū)動馬達采用了兩種新構(gòu)造。分別為（1）與現(xiàn)有電動汽車（EV）及HEV不同的軸向間隙型馬達（圖4），以及（2）自主開發(fā)的轉(zhuǎn)子構(gòu)造——將鐵氧體磁鐵與壓粉鐵芯呈交替狀配置“分段構(gòu)造”（圖5）。

此前因Nd類磁鐵的性能高于鐵氧體磁鐵，一直被驅(qū)動用馬達使用。從性能指標——能量積（剩余磁通密度×保磁力）來看，Nd類磁鐵比鐵氧體磁鐵高出10倍左右。

但Nd類磁鐵的成分——稀土因全球90％的產(chǎn)量依賴于中國而存在制約。如果中國限制稀土供應(yīng)，便會限制日本的競爭力。要規(guī)避Nd類磁鐵的采購風險，必須考慮利用資源豐富的鐵氧體磁鐵。

利用新構(gòu)造解決鐵氧體磁鐵的課題

驅(qū)動用馬達采用鐵氧體磁鐵時，存在（1）扭矩比Nd類磁鐵低、（2）容易發(fā)生不可逆退磁等課題。

扭矩與馬達的尺寸成正比。要用鐵氧體磁鐵確保與Nd類磁鐵同等的扭矩，理論上只要增加馬達的尺寸就能達到目的。但汽車需要最大限度地確保車內(nèi)空間，因此無法安裝大尺寸馬達。

不可逆退磁也是一大課題。磁鐵會沿著從N極到S極的方向產(chǎn)生磁通量。啟動馬達時，會從定子磁鐵向轉(zhuǎn)子磁鐵流過與磁鐵的磁通量方向相反的磁通量。此時，如果反方向的磁通量較強，就會導(dǎo)致磁鐵的磁力下降。這就是不可逆退磁。如果磁鐵的磁力較強，就不易發(fā)生不可逆退磁。Nd類磁鐵可輕松避免這種現(xiàn)象，但鐵氧體磁鐵因磁力較弱，比較容易退磁。

此次開發(fā)的驅(qū)動用馬達使用鐵氧體磁鐵，因此存在上述兩個課題。北海道大學通過采用軸向間隙型構(gòu)造與分段構(gòu)造、優(yōu)化定子槽數(shù)三項措施解決了這些課題。

采用軸向間隙型馬達

首先通過采用軸向間隙型馬達與分段構(gòu)造解決了扭矩低的問題。軸向間隙型馬達采用轉(zhuǎn)子和定子沿馬達軸方向重疊配置、沿軸方向流過磁通量的構(gòu)造。

如果是HEV等發(fā)動機艙較小的汽車，馬達的軸方向長度有限，采用現(xiàn)有馬達構(gòu)造很難確保較大的扭矩。軸向間隙型構(gòu)造可在軸方向的轉(zhuǎn)子面與定子面之間產(chǎn)生磁通量，因此即使馬達長度較短，也比較容易確保扭矩。

軸向間隙型馬達以前一直用于個人電腦的冷卻風扇等，此次更改了其轉(zhuǎn)子鐵芯的構(gòu)造（圖6）。原來是在轉(zhuǎn)子鐵芯面上配置磁鐵。此次則去掉了轉(zhuǎn)子鐵芯，因此可增加鐵氧體磁鐵的厚度，從而提高了扭矩。

圖4：馬達的構(gòu)造

以2枚面狀定子夾住1枚轉(zhuǎn)子。圖5：轉(zhuǎn)子的構(gòu)造

采用將磁鐵與壓粉鐵芯呈交替狀配置的分段構(gòu)造。磁鐵與壓粉鐵芯以不銹鋼支撐。不銹鋼與空氣一樣，不易通過磁通量，磁鐵的磁通量不易流向左右相鄰的壓粉鐵芯，因此比較容易穿過定子。圖6：轉(zhuǎn)子構(gòu)造與原來的軸向間隙型馬達不同

以前是在轉(zhuǎn)子內(nèi)配置轉(zhuǎn)子內(nèi)芯。轉(zhuǎn)子內(nèi)芯為鐵塊，磁通量容易穿過。轉(zhuǎn)子的軸方向位置偏移時，定子產(chǎn)生的磁通量會穿過內(nèi)芯，流回同一定子，造成磁通量短路。采用新構(gòu)造（右）時，磁通量壓容易通過粉鐵芯，而不易穿過磁鐵，因此不易發(fā)生磁通量短路。如上所述，此次的馬達采用磁鐵和壓粉鐵芯在轉(zhuǎn)子表面呈交替狀排列的分段構(gòu)造。磁鐵與壓粉鐵芯以不銹鋼支撐。不銹鋼為非磁性體，導(dǎo)磁率只有鐵的1/500左右，與空氣相當。通過采用不銹鋼作為轉(zhuǎn)子的支撐材料，確保了轉(zhuǎn)子的強度。

如果使用電磁鋼板代替不銹鋼的話，因電磁鋼板的導(dǎo)磁率較高，鐵氧體磁鐵產(chǎn)生的磁通量容易流入左右相鄰的壓粉鐵芯。也就是說，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁通量會在轉(zhuǎn)子內(nèi)發(fā)生短路，導(dǎo)致扭矩降低。

要提高扭矩，需要使磁鐵的磁通量容易穿過定子。因此，還要考慮磁鐵與壓粉鐵芯的間隔（間隙）。此次將鐵氧體磁鐵與壓粉鐵芯的距離設(shè)計成了2mm左右，而轉(zhuǎn)子面與定子面則相距1mm左右。如果鐵氧體磁鐵與壓粉鐵芯之間小于這一距離的話，磁鐵的磁通量容易在轉(zhuǎn)子內(nèi)發(fā)生短路，因此會導(dǎo)致流向定子的磁通量減少，這樣便很難增加扭矩。

確保磁通量通路防止磁鐵磁力降低

圖7：定子槽數(shù)為15時的扭矩與扭矩波動的關(guān)系（分析值）

可獲得409.8N·m的最大扭矩，扭矩波動率為40％。定子產(chǎn)生的磁通量有的方向與鐵氧體磁鐵產(chǎn)生的磁通量相同，有的則與其相反。如果定子磁通量的方向與磁鐵磁通量相同，就沒有問題。但定子磁通量的方向與磁鐵磁通量相反時，將會成為磁鐵退磁的主要原因。

馬達轉(zhuǎn)速提高時，產(chǎn)生的反電動勢會與磁鐵的磁通量成比例。為了減弱反電動勢，通常定子會對磁鐵進行“弱勵磁”控制來減弱磁鐵的磁通量。弱勵磁是指利用定子產(chǎn)生與磁鐵磁通量方向相反的磁通量。

此次通過采用分段構(gòu)造，使弱勵磁控制時產(chǎn)生的、由定子流向轉(zhuǎn)子的磁通量，通過轉(zhuǎn)子上的壓粉鐵芯而不是轉(zhuǎn)子上的磁鐵。將轉(zhuǎn)子極數(shù)設(shè)成10的主要原因是，可通過弱勵磁控制方式抑制退磁。采用分段構(gòu)造，可在減少反電動勢的同時，抑制磁鐵退磁，也就是說，可抑制不可逆退磁。

作為抑制不可逆退磁的措施，還改進了定子的槽數(shù)。槽數(shù)少的話，每個槽產(chǎn)生的磁通量會增加，使方向與轉(zhuǎn)子的鐵氧體磁鐵相反的磁通量流過時，磁鐵容易發(fā)生不可逆退磁。通過增加定子的槽數(shù)，可減少每個槽的磁通量，同時減少每個磁鐵獲得的磁通量，以防止退磁。

采用以前的軸向間隙型馬達的轉(zhuǎn)子構(gòu)造時，如果轉(zhuǎn)子位置偏向其中一個定子，就會對軸承的局部區(qū)域產(chǎn)生負荷，因此存在耐久性方面的問題。這是因為定子和轉(zhuǎn)子之間以空氣隔離，空氣的導(dǎo)磁率只有鐵的1/500左右。而且，轉(zhuǎn)子內(nèi)配置有會造成磁通量短路的內(nèi)芯。定子與轉(zhuǎn)子之間距離越短，磁通量越容易經(jīng)由轉(zhuǎn)子的內(nèi)芯，流向同一定子。結(jié)果會造成轉(zhuǎn)子位置偏移時增加軸承的負荷，出現(xiàn)耐久性方面的問題。

采用此次的轉(zhuǎn)子構(gòu)造時，即使轉(zhuǎn)子的位置偏移，定子產(chǎn)生的磁通量也很容易穿過轉(zhuǎn)子。因此，其優(yōu)點是不會產(chǎn)生偏向軸承的力。

最佳數(shù)值為24槽、15次繞線此次開發(fā)的馬達根據(jù)模擬結(jié)果，將轉(zhuǎn)子極數(shù)定為10極，定子槽數(shù)定為24槽。選定的數(shù)值可使產(chǎn)生的扭矩以及有助于提高扭矩的交鏈磁通量增大，而且可抑制扭矩波動及不可逆退磁。

比如，轉(zhuǎn)子為10極、定子為15槽時，最大扭矩可達到409.8N·m，高于目標值320N·m，但扭矩波動也比較大（圖7）。而且定子為15槽時發(fā)生不可逆退磁的鐵氧體磁鐵體積也比較大。圖8：定子槽數(shù)與交鏈磁通量減少率的關(guān)系（分析值）

交鏈磁通量減少率越低越好。將定子槽數(shù)由15增至24后，交鏈磁通量的減少率降低，效率提高。圖9：繞線數(shù)、平均扭矩與交鏈磁通量減少率的關(guān)系（分析值）

定子每槽的繞線數(shù)由13增至18時的扭矩與交鏈磁通減少率。繞線數(shù)為16時扭矩最大。

北海道大學發(fā)現(xiàn)，將轉(zhuǎn)子槽數(shù)增至18槽、24槽時，不僅退磁體積縮小，而且可降低交鏈磁通量的減少率（圖8）。24槽時的扭矩波動率可降至16％。此次還評測了每槽的繞線數(shù)。繞線數(shù)在13到16之間時，扭矩會增加，但超過16時扭矩會下降（圖9）。

繞線數(shù)為17或18時，扭矩會降低。其原因是，由于定子外徑固定，繞線數(shù)越多，繞線內(nèi)部的內(nèi)芯截面積就會越小。內(nèi)芯截面積較小的話，內(nèi)芯內(nèi)部會發(fā)生磁飽和，因此磁通量不會增加。

改變繞線次數(shù)后，盡管繞線數(shù)為16時創(chuàng)造了330.2N·m的最高扭矩記錄，但交鏈磁通