三菱电机在日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的委托下开发出了不使用稀土类磁铁的驱动马达。内侧为转子、外侧为定子的构造与已有的混合动力车（HEV）用驱动马达相同。其特点是作为使转子产生磁通量的手段，采用了专用线圈而不是以往的钕类磁铁。 　　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。 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。 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。 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。 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。 　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）。   图8：通过铁氧体磁铁减轻磁饱和 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） 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。 励磁磁动势增至4000AT附近。达到了与已有HEV马达使用的钕类磁铁同等的磁通量密度（0.6T）。（引自日本能率协会）  来源：日经BP （特约撰稿人：三菱电机电机系统技术部部长竹内敏惠） 【电动汽车拆解】再生协调制动器（十二）：通过电控实现再生协调制动 【电动汽车拆解】马达（十一）：借助辅助线圈控制磁场，稀土类磁铁减少一半 【电动汽车拆解】马达（十）：通过切换马达线圈，在大转速范围内保持输出功率 【电动汽车拆解】马达（九）：不使用电磁钢板的马达铁芯 【电动汽车拆解】制暖（八）：用电加热器代替发动机 【电动汽车拆解】空调压缩机（七）：不断推进电动化 【电动汽车拆解】DC-DC转换器（六）：DC-DC转换器的性 【电动汽车拆解】DC-DC转换器（五）：保留铅蓄电池 【电动汽车拆解】DC-DC转换器（四）：提高电压转换效率 【电动汽车拆解】PCU（三）：使半导体与冷却板紧密贴合 【电动汽车拆解】PCU（二）：实现了与铅蓄电池相当的尺寸 【电动汽车拆解】PCU（一）：采用双面冷却构造实现小型化