不斷進(jìn)化的電動(dòng)汽車馬達(dá)，面向EV瞄準(zhǔn)更高的性能

　　1991年日野汽車推出商用混合動(dòng)力巴士，自此之后已過去20年。其間，普銳斯于1997年亮相，在CO2減排問題以及環(huán)保車補(bǔ)貼及減稅制度的推動(dòng)下，2010年該車熱賣，混合動(dòng)力車在汽車市場(chǎng)上獲得了"公民權(quán)"。對(duì)消費(fèi)者而言，混合動(dòng)力車如今就像是一臺(tái)高燃效的汽油車。以此為背景，到2015年全球汽車廠商會(huì)不斷推出混合動(dòng)力車。

　　對(duì)電動(dòng)汽車的進(jìn)化起到支撐作用的是所謂三大神器的"馬達(dá)"、"逆變器"及"蓄電池"。蓄電池大幅左右車輛的價(jià)格，作為決定電動(dòng)汽車基本性能、也即持續(xù)行駛距離的關(guān)鍵技術(shù)而備受關(guān)注。而且電池技術(shù)進(jìn)步也頗為顯著。而馬達(dá)和逆變器則會(huì)影響車輛的行駛性能及燃效（耗電）性能。本文將著眼于馬達(dá)，對(duì)其發(fā)展?fàn)顩r以及現(xiàn)有課題做一分析。

向利用磁阻扭矩的IPM馬達(dá)及PRM馬達(dá)進(jìn)化

圖1：使用永久磁鐵的馬達(dá)種類與扭矩之間的關(guān)系

　　用于混合動(dòng)力車的馬達(dá)必須能夠配置在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱之間的狹小空間內(nèi)。因此要求車載馬達(dá)小型化且高功率、高效率。日野汽車的商用混合動(dòng)力巴士使用的是東芝制造的感應(yīng)馬達(dá)。采用難以小型化的感應(yīng)馬達(dá)，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)還沒有使用釹的強(qiáng)力磁鐵，所以很難制造出混合動(dòng)車要求的高功率、高效率馬達(dá)。之后，使用釹的強(qiáng)力磁鐵亮相，混合動(dòng)力車的馬達(dá)開始從感應(yīng)馬達(dá)向永久磁鐵馬達(dá)方向發(fā)展。目前混合動(dòng)力車使用的馬達(dá)主流都是使用永久磁鐵的產(chǎn)品。

　　使用永久磁鐵的馬達(dá)有多種，特性也各異。(圖1)列出了使用永久磁鐵的馬達(dá)種類、扭矩和輸出功率之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)子表面貼有磁鐵的是SPM（Surface Permanent Magnetic）馬達(dá)。該馬達(dá)可在低轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生大扭矩。但不適于高轉(zhuǎn)速及固定輸出功率的駕駛。這是因?yàn)殡S著馬達(dá)轉(zhuǎn)速的提高，啟動(dòng)馬達(dá)的線圈上會(huì)伴隨磁鐵的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的功率相抵消的緣故。

圖2：東芝的HEV及EV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所使用的PRM馬達(dá)示例

　　解決SPM的這一課題的是，IPM（Interior Permanent Magnetic）馬達(dá)以及IPM馬達(dá)的一種PRM（Permanent Magnetic Reluctance）馬達(dá)。IPM馬達(dá)是一種在轉(zhuǎn)子里嵌入永久磁鐵的PM馬達(dá)。與SPM馬達(dá)不同，減弱了源于永久磁鐵的扭矩，而是利用轉(zhuǎn)子的磁阻扭矩。這樣即使在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，也可高效率地工作。PRM馬達(dá)是一種進(jìn)一步強(qiáng)化了這一方向性的馬達(dá)。與源于永久磁鐵的扭矩相比，主要利用磁阻扭矩。能夠減少使用釹等昂貴材料的永久磁鐵的使用量，將控制范圍擴(kuò)大至高轉(zhuǎn)速區(qū)域。順便提一句，普銳斯采用的就是PRM馬達(dá)。

　　(圖2)是PRM馬達(dá)的示例（被應(yīng)用于東芝開發(fā)的HEV及EV混合動(dòng)力系統(tǒng)）。通過在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)呈V字狀配置永久磁鐵，實(shí)現(xiàn)磁各向異性強(qiáng)的形狀，可產(chǎn)生大的磁阻扭矩。最大扭矩時(shí)磁阻扭矩與永久磁鐵扭矩的比為6:4。效率高達(dá)97％。最高轉(zhuǎn)速提高到了基速的5倍。

反電動(dòng)勢(shì)抑制技術(shù)的開發(fā)取得進(jìn)展

　　目前，馬達(dá)開發(fā)在進(jìn)一步小型化及高效率化的要求下不斷推進(jìn)。其中之一就是對(duì)磁鐵旋轉(zhuǎn)造成的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行抑制的技術(shù)。使用該技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)EV等要求的高轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)的高效率。目前開發(fā)的反電動(dòng)勢(shì)抑制技術(shù)方式大致分三種。第一種是可變磁力方式，就是使用可改變磁力的釤鈷磁鐵來改變旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的磁鐵的磁力。第二種是線圈切換方式，就是將定子線圈分割成兩部分，低轉(zhuǎn)速時(shí)在兩個(gè)線圈中流過電流，高轉(zhuǎn)速時(shí)僅在一個(gè)線圈中流過電流。第三種是勵(lì)磁線圈方式，就是使流過線圈的電流發(fā)生變化，由此來改變磁通量。

　　(圖3)列出了使用釤鈷磁鐵的可變磁力式馬達(dá)的示例。東芝在洗衣機(jī)上采用了該馬達(dá)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了洗滌時(shí)低轉(zhuǎn)速下的高扭矩，以及脫水時(shí)高轉(zhuǎn)速下的高效率。東芝由此將耗電量降低了16％。如果將該技術(shù)導(dǎo)入到電動(dòng)汽車的馬達(dá)上，便可實(shí)現(xiàn)超過以往的低轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)的高扭矩以及高轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)的高效率。可以說，這是僅靠馬達(dá)行駛的EV所不可或缺的技術(shù)。

　　在混合動(dòng)力車中，馬達(dá)的作用主要有三個(gè)：發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的輔助、馬達(dá)行駛，以及利用再生能量?；旌蟿?dòng)力車通過在發(fā)動(dòng)機(jī)效率差的起步時(shí)、低速行駛時(shí)及加速時(shí)利用馬達(dá)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行輔助，這樣做有助于提高燃效。由于馬達(dá)行駛時(shí)使用電池儲(chǔ)存的電力來行駛，所以不消耗燃料。而在利用再生能量方面，則在不踩油門踏板的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，以及踩下制動(dòng)踏板人為減速的制動(dòng)時(shí)，把馬達(dá)用作發(fā)電機(jī)，將發(fā)出的電力存儲(chǔ)到蓄電池中。

車輛重量與驅(qū)動(dòng)扭矩間的關(guān)系為3.3N?m/kg

表1：各廠商的電動(dòng)汽車所配備的馬達(dá)與發(fā)動(dòng)機(jī)特性

　　理論上，馬達(dá)在靜止?fàn)顟B(tài)下產(chǎn)生最大扭矩(圖4)。相反，在高轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)扭矩會(huì)下降。而發(fā)動(dòng)機(jī)則是在高出某一固定值的高轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生最大扭矩。比如，第三代普銳斯在每分鐘5200轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生142N?m的最大扭矩?；旌蟿?dòng)力車就是通過相互彌補(bǔ)馬達(dá)與發(fā)動(dòng)機(jī)在扭矩特性上的這一不同，實(shí)現(xiàn)最大燃效性能的。具體而言，就是在起步時(shí)利用可在低轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生高扭矩的馬達(dá)，在高速行駛時(shí)利用發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力。

　　(表1)列出了豐田汽車、日產(chǎn)汽車、本田技研工業(yè)、三菱汽車的電動(dòng)汽車所配備的馬達(dá)及發(fā)動(dòng)機(jī)的特性。這些廠商均采用了從低轉(zhuǎn)速區(qū)域到高轉(zhuǎn)速區(qū)域均可實(shí)現(xiàn)高效率的IPM馬達(dá)，但所配備的馬達(dá)性能卻有很大差異。當(dāng)然，這些差異是由車輛重量以及混合動(dòng)力的設(shè)計(jì)方式的不同而造成的。從表中的馬達(dá)來看，最大輸出功率和最大扭矩的分布范圍很大，前者為10kW～165kW，后者為78N?m～400N?m。其中，本田INSIGHT和飛度配備的馬達(dá)，其最大輸出功率和最大扭矩均低于其他車型。原因就在于本田混合動(dòng)力系統(tǒng)"IMA（Integrated Motor Assist System）"的設(shè)計(jì)思想。INSIHGT和飛度采用的IMA是在以發(fā)動(dòng)機(jī)為主、馬達(dá)為輔，并以低成本來實(shí)現(xiàn)的目的之下開發(fā)的。

　　混合動(dòng)力車起步時(shí)決定加速性能的是馬達(dá)扭矩和車輛重量。(圖5)列出了兩者間的關(guān)系。與車輛重量達(dá)到2230kg的雷克薩斯600h相比，車輛重量僅為1290kg的第二代普銳斯使用的是高扭矩馬達(dá)。乍一看，車輛重量與馬達(dá)扭矩之間似乎沒有什么關(guān)系。這是因?yàn)轳R達(dá)本身的扭矩并不表示為直接驅(qū)動(dòng)輪胎的扭矩。在驅(qū)動(dòng)輪胎的機(jī)構(gòu)與馬達(dá)之間存在各種齒輪。這些齒輪可使馬達(dá)扭矩增大，傳遞給輪胎?？紤]這些齒輪的變速比及減速比，便可顯示出車輛重量與驅(qū)動(dòng)扭矩之間的關(guān)系。(圖6)列出了在考慮了變速比、減速比以及普銳斯等采用的減速齒輪比的條件下，扭矩與車輛重量之間的關(guān)系。所有車型的座標(biāo)點(diǎn)幾乎排列為一條直線。直線的傾斜度約為3.3N?m/kg。

　　汽車廠商在考慮了變速比、減速比以及減速齒輪比的前提下，采用具有最佳性能的馬達(dá)。比如，普銳斯從第二代向第三代過渡時(shí)，設(shè)置了減速齒輪。在驅(qū)動(dòng)輪胎的最終減速器與動(dòng)力分割機(jī)構(gòu)之間設(shè)置了齒輪比為2.936的減速機(jī)構(gòu)。通過這一措施，使馬達(dá)扭矩從400N?m降到了207N?m。馬達(dá)的重量與扭矩基本成比例。豐田通過設(shè)置減速齒輪，使第三代普銳斯的馬達(dá)實(shí)現(xiàn)了小型輕量化。