可變磁力：馬達讓HEV馬達的效率更進(jìn)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(dòng)力車(chē)（HEV）和電動(dòng)汽車(chē)（EV）的馬達正在加速研發(fā)。其典型便是東洋大學(xué)堺和人等人開(kāi)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(diǎn)是與普通的永磁馬達（PMM：Permanent Magnet Motor）相比，在低速和高速區域的效率高。美國福特汽車(chē)（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(jìn)化版。

　　在介紹PRM的具體原理是之前，先來(lái)簡(jiǎn)單解釋一下PRM和PMM。PRM是同時(shí)使用永磁鐵的磁力以及電流流經(jīng)電磁鐵線(xiàn)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(kāi)發(fā)PRM的目的是改善PMM的弱點(diǎn)——高速區域的效率。PMM在高速區域使用“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(zhù)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，導致轉數無(wú)法繼續增加。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(wú)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(shí)就輪到了PRM登場(chǎng)的時(shí)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”，在高速區域減少電磁鐵的磁通，降低感應電壓。這樣一來(lái)，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域都提高效率。效率最容易偏低的是車(chē)速50～60km左右的中速區域。因為提高低速區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域，鐵損所占的比例總是會(huì )變大。

需要“廢品”

　　于是，就輪到了開(kāi)篇提及的HVMF的登場(chǎng)了。HVMF是通過(guò)主動(dòng)改變過(guò)去以“不變”為前提的永磁鐵磁力，推動(dòng)PRM的進(jìn)化。其實(shí)，采用這種思路的馬達首先由東芝在洗衣機中投入了實(shí)用（參閱本站報道）。其開(kāi)發(fā)者之一——堺和人在轉投東洋大學(xué)之后，一直爭取將其應用于汽車(chē)，隨之開(kāi)發(fā)而成的便是HVMF?，F在雖然還在通過(guò)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(shí)用中的能量損失減少10～20％左右。

　　HVMF的思路十分簡(jiǎn)單。起動(dòng)時(shí)，在需要大扭矩的低速區域實(shí)用永磁鐵的最大磁力。隨著(zhù)馬達旋轉速度加快，當感應電壓上升到接近電源電壓時(shí)，降低永磁鐵的磁力。當旋轉速度繼續加快，再次接近電源電壓時(shí)，進(jìn)一步降低永磁鐵的磁力，然后不斷重復這一過(guò)程?；蛟S有人會(huì )想，“永”磁鐵的磁力有那么容易改變嗎？其實(shí)并不算難。永磁鐵具有磁滯特性，只要加載超過(guò)矯頑力的外部磁場(chǎng)，磁力馬上就會(huì )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(huì )發(fā)生劣化。這可以拿硬盤(pán)等磁記錄裝置舉例，硬盤(pán)是通過(guò)向磁體加載磁場(chǎng)的方式改變極性，借此記錄信號。此時(shí)，極性無(wú)論改變多少次，硬盤(pán)也基本不會(huì )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(xué)會(huì )論文志Ｄ（產(chǎn)業(yè)應用部門(mén)志）, Vol.131, No.9，pp.1112-1119, 2011年9月），HVMF實(shí)現的方式是在馬達的定子一側增設產(chǎn)生外部磁場(chǎng)的可變磁場(chǎng)線(xiàn)圈。在短時(shí)間內向可變磁場(chǎng)線(xiàn)圈通入磁化電流，在一瞬間形成超過(guò)矯頑力的磁場(chǎng)，使轉子一側的永磁鐵（釤-鈷（Sm-Co）磁鐵）發(fā)生極性改變，實(shí)現減磁或是增磁（作為基地，還組合了釹磁鐵）。

　　當然，HVMF還處在研究階段。實(shí)用化課題還有很多。其中最大的課題恐怕是沒(méi)有適合頻繁改變磁鐵特性的永磁鐵。一般來(lái)說(shuō)，矯頑力高、極性不容易受周?chē)艌?chǎng)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(kāi)發(fā)者的角度來(lái)看，簡(jiǎn)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(diǎn)也極具吸引力。今后的發(fā)展值得關(guān)注。