可變磁力：馬達讓HEV馬達的效率更進一步

　　改變馬達磁力，連同永磁鐵的特性也一起改變掉。從“立雞蛋”須不破不立的想法出發(fā)，如今用于混合動力車（HEV）和電動汽車（EV）的馬達正在加速研發(fā)。其典型便是東洋大學堺和人等人開發(fā)的“混合可變磁力馬達（HVMF：Hybrid Variable Magnetic Force Motor）”。

　　最近的HEV/EV使用的馬達以永磁磁阻馬達（PRM：Permanent magnet Reluctance Motor）為主。其特點是與普通的永磁馬達（PMM：Permanent Magnet Motor）相比，在低速和高速區(qū)域的效率高。美國福特汽車（Ford Motor）在HEV中采用了這種馬達，豐田“普銳斯”采用的馬達雖然不叫PRM，但原理與之相同。而HVMF的定位便是PRM的進化版。

　　在介紹PRM的具體原理是之前，先來簡單解釋一下PRM和PMM。PRM是同時使用永磁鐵的磁力以及電流流經(jīng)電磁鐵線圈產(chǎn)生的力（磁阻轉矩）的馬達。在轉子中插入永磁鐵，在定子中插入電磁鐵，讓永磁鐵的磁力承擔大約4～5成的馬達扭矩，讓磁阻轉矩承擔剩余的約5～6成。PRM與PMM比較難以區(qū)分，一般認為，PMM的約8成，也就是大半的馬達扭矩是由永磁鐵提供。第一代普銳斯使用的馬達似乎應該叫做PMM。

　　開發(fā)PRM的目的是改善PMM的弱點——高速區(qū)域的效率。PMM在高速區(qū)域使用“弱磁控制”，需要向電磁鐵中通入電流，使其產(chǎn)生與永磁鐵磁通相反的磁通。因為隨著馬達的旋轉速度加快，電磁鐵的感應電壓將升至電源電壓上限，導致轉數(shù)無法繼續(xù)增加。也就是使用弱磁控制控制感應電壓。

　　但弱磁控制使用的電流無益于馬達扭矩的發(fā)生。因此，使用的電流越大，效率越低。此時就輪到了PRM登場的時候。PRM能夠增加電磁鐵的磁阻轉矩的比例，擴大磁通的“可變范圍”，在高速區(qū)域減少電磁鐵的磁通，降低感應電壓。這樣一來，就可以基本不使用弱磁控制。

　　PRM雖然非常適合在HEV/EV中使用，但并不能在全部的速度區(qū)域都提高效率。效率最容易偏低的是車速50～60km左右的中速區(qū)域。因為提高低速區(qū)域的效率必須一定程度提高永磁鐵的磁力，這樣，在只需小扭矩的中速區(qū)域，鐵損所占的比例總是會變大。

需要“廢品”

　　于是，就輪到了開篇提及的HVMF的登場了。HVMF是通過主動改變過去以“不變”為前提的永磁鐵磁力，推動PRM的進化。其實，采用這種思路的馬達首先由東芝在洗衣機中投入了實用（參閱本站報道）。其開發(fā)者之一——堺和人在轉投東洋大學之后，一直爭取將其應用于汽車，隨之開發(fā)而成的便是HVMF?，F(xiàn)在雖然還在通過計算評估性能的階段，但堺和人認為，HVMF能夠使HEV/EV馬達在實用中的能量損失減少10～20％左右。

　　HVMF的思路十分簡單。起動時，在需要大扭矩的低速區(qū)域?qū)嵱糜来盆F的最大磁力。隨著馬達旋轉速度加快，當感應電壓上升到接近電源電壓時，降低永磁鐵的磁力。當旋轉速度繼續(xù)加快，再次接近電源電壓時，進一步降低永磁鐵的磁力，然后不斷重復這一過程?；蛟S有人會想，“永”磁鐵的磁力有那么容易改變嗎？其實并不算難。永磁鐵具有磁滯特性，只要加載超過矯頑力的外部磁場，磁力馬上就會發(fā)生改變。因為電流只需瞬間通入，消耗的電流極少。

　　就算頻繁改變磁力，永磁鐵也基本不會發(fā)生劣化。這可以拿硬盤等磁記錄裝置舉例，硬盤是通過向磁體加載磁場的方式改變極性，借此記錄信號。此時，極性無論改變多少次，硬盤也基本不會發(fā)生劣化。大致的原理就是如此。

　　詳細原理和構造請參照堺和人等人的論文“混合可變磁力馬達的原理與基本特性”（電氣學會論文志Ｄ（產(chǎn)業(yè)應用部門志）, Vol.131, No.9，pp.1112-1119, 2011年9月），HVMF實現(xiàn)的方式是在馬達的定子一側增設產(chǎn)生外部磁場的可變磁場線圈。在短時間內(nèi)向可變磁場線圈通入磁化電流，在一瞬間形成超過矯頑力的磁場，使轉子一側的永磁鐵（釤-鈷（Sm-Co）磁鐵）發(fā)生極性改變，實現(xiàn)減磁或是增磁（作為基地，還組合了釹磁鐵）。

　　當然，HVMF還處在研究階段。實用化課題還有很多。其中最大的課題恐怕是沒有適合頻繁改變磁鐵特性的永磁鐵。一般來說，矯頑力高、極性不容易受周圍磁場環(huán)境影響的磁鐵是好的永磁鐵。但對于HVMF，容易改變極性的磁鐵才是“好”磁鐵。從永磁鐵開發(fā)者的角度來看，簡直就是要求他們制造“廢品”。即便如此，能夠大幅改善HEV/EV的馬達效率這一點也極具吸引力。今后的發(fā)展值得關注。