可变磁力:马达让HEV马达的效率更进一步

2012-01-12 19:05:15来源: 日经汽车技术 关键字:可变  马达  效率

  改变马达磁力,连同永磁铁的特性也一起改变掉。从“立鸡蛋”须不破不立的想法出发,如今用于混合动力车(HEV)和电动汽车(EV)的马达正在加速研发。其典型便是东洋大学堺和人等人开发的“混合可变磁力马达(HVMF:Hybrid Variable Magnetic Force Motor)”。

  最近的HEV/EV使用的马达以永磁磁阻马达(PRM:Permanent magnet Reluctance Motor)为主。其特点是与普通的永磁马达(PMM:Permanent Magnet Motor)相比,在低速和高速区域的效率高。美国福特汽车(Ford Motor)在HEV中采用了这种马达,丰田“普锐斯”采用的马达虽然不叫PRM,但原理与之相同。而HVMF的定位便是PRM的进化版。

  在介绍PRM的具体原理是之前,先来简单解释一下PRM和PMM。PRM是同时使用永磁铁的磁力以及电流流经电磁铁线圈产生的力(磁阻转矩)的马达。在转子中插入永磁铁,在定子中插入电磁铁,让永磁铁的磁力承担大约4~5成的马达扭矩,让磁阻转矩承担剩余的约5~6成。PRM与PMM比较难以区分,一般认为,PMM的约8成,也就是大半的马达扭矩是由永磁铁提供。第一代普锐斯使用的马达似乎应该叫做PMM。

  开发PRM的目的是改善PMM的弱点——高速区域的效率。PMM在高速区域使用“弱磁控制”,需要向电磁铁中通入电流,使其产生与永磁铁磁通相反的磁通。因为随着马达的旋转速度加快,电磁铁的感应电压将升至电源电压上限,导致转数无法继续增加。也就是使用弱磁控制控制感应电压。

  但弱磁控制使用的电流无益于马达扭矩的发生。因此,使用的电流越大,效率越低。此时就轮到了PRM登场的时候。PRM能够增加电磁铁的磁阻转矩的比例,扩大磁通的“可变范围”,在高速区域减少电磁铁的磁通,降低感应电压。这样一来,就可以基本不使用弱磁控制。

  PRM虽然非常适合在HEV/EV中使用,但并不能在全部的速度区域都提高效率。效率最容易偏低的是车速50~60km左右的中速区域。因为提高低速区域的效率必须一定程度提高永磁铁的磁力,这样,在只需小扭矩的中速区域,铁损所占的比例总是会变大。

需要“废品”

  于是,就轮到了开篇提及的HVMF的登场了。HVMF是通过主动改变过去以“不变”为前提的永磁铁磁力,推动PRM的进化。其实,采用这种思路的马达首先由东芝在洗衣机中投入了实用(参阅本站报道)。其开发者之一——堺和人在转投东洋大学之后,一直争取将其应用于汽车,随之开发而成的便是HVMF。现在虽然还在通过计算评估性能的阶段,但堺和人认为,HVMF能够使HEV/EV马达在实用中的能量损失减少10~20%左右。

  HVMF的思路十分简单。起动时,在需要大扭矩的低速区域实用永磁铁的最大磁力。随着马达旋转速度加快,当感应电压上升到接近电源电压时,降低永磁铁的磁力。当旋转速度继续加快,再次接近电源电压时,进一步降低永磁铁的磁力,然后不断重复这一过程。或许有人会想,“永”磁铁的磁力有那么容易改变吗?其实并不算难。永磁铁具有磁滞特性,只要加载超过矫顽力的外部磁场,磁力马上就会发生改变。因为电流只需瞬间通入,消耗的电流极少。

  就算频繁改变磁力,永磁铁也基本不会发生劣化。这可以拿硬盘等磁记录装置举例,硬盘是通过向磁体加载磁场的方式改变极性,借此记录信号。此时,极性无论改变多少次,硬盘也基本不会发生劣化。大致的原理就是如此。

  详细原理和构造请参照堺和人等人的论文“混合可变磁力马达的原理与基本特性”(电气学会论文志D(产业应用部门志), Vol.131, No.9,pp.1112-1119, 2011年9月),HVMF实现的方式是在马达的定子一侧增设产生外部磁场的可变磁场线圈。在短时间内向可变磁场线圈通入磁化电流,在一瞬间形成超过矫顽力的磁场,使转子一侧的永磁铁(钐-钴(Sm-Co)磁铁)发生极性改变,实现减磁或是增磁(作为基地,还组合了钕磁铁)。

  当然,HVMF还处在研究阶段。实用化课题还有很多。其中最大的课题恐怕是没有适合频繁改变磁铁特性的永磁铁。一般来说,矫顽力高、极性不容易受周围磁场环境影响的磁铁是好的永磁铁。但对于HVMF,容易改变极性的磁铁才是“好”磁铁。从永磁铁开发者的角度来看,简直就是要求他们制造“废品”。即便如此,能够大幅改善HEV/EV的马达效率这一点也极具吸引力。今后的发展值得关注。

关键字:可变  马达  效率

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2012/0112/article_4994.html
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