不斷進(jìn)化的電動(dòng)汽車(chē)馬達，面向EV瞄準更高的性能

　　1991年日野汽車(chē)推出商用混合動(dòng)力巴士，自此之后已過(guò)去20年。其間，普銳斯于1997年亮相，在CO2減排問(wèn)題以及環(huán)保車(chē)補貼及減稅制度的推動(dòng)下，2010年該車(chē)熱賣(mài)，混合動(dòng)力車(chē)在汽車(chē)市場(chǎng)上獲得了"公民權"。對消費者而言，混合動(dòng)力車(chē)如今就像是一臺高燃效的汽油車(chē)。以此為背景，到2015年全球汽車(chē)廠(chǎng)商會(huì )不斷推出混合動(dòng)力車(chē)。

　　對電動(dòng)汽車(chē)的進(jìn)化起到支撐作用的是所謂三大神器的"馬達"、"逆變器"及"蓄電池"。蓄電池大幅左右車(chē)輛的價(jià)格，作為決定電動(dòng)汽車(chē)基本性能、也即持續行駛距離的關(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(zhù)。而馬達和逆變器則會(huì )影響車(chē)輛的行駛性能及燃效（耗電）性能。本文將著(zhù)眼于馬達，對其發(fā)展狀況以及現有課題做一分析。

向利用磁阻扭矩的IPM馬達及PRM馬達進(jìn)化

圖1：使用永久磁鐵的馬達種類(lèi)與扭矩之間的關(guān)系

　　用于混合動(dòng)力車(chē)的馬達必須能夠配置在發(fā)動(dòng)機與變速箱之間的狹小空間內。因此要求車(chē)載馬達小型化且高功率、高效率。日野汽車(chē)的商用混合動(dòng)力巴士使用的是東芝制造的感應馬達。采用難以小型化的感應馬達，是因為當時(shí)還沒(méi)有使用釹的強力磁鐵，所以很難制造出混合動(dòng)車(chē)要求的高功率、高效率馬達。之后，使用釹的強力磁鐵亮相，混合動(dòng)力車(chē)的馬達開(kāi)始從感應馬達向永久磁鐵馬達方向發(fā)展。目前混合動(dòng)力車(chē)使用的馬達主流都是使用永久磁鐵的產(chǎn)品。

　　使用永久磁鐵的馬達有多種，特性也各異。(圖1)列出了使用永久磁鐵的馬達種類(lèi)、扭矩和輸出功率之間的關(guān)系。轉子表面貼有磁鐵的是SPM（Surface Permanent Magnetic）馬達。該馬達可在低轉速區域內產(chǎn)生大扭矩。但不適于高轉速及固定輸出功率的駕駛。這是因為隨著(zhù)馬達轉速的提高，啟動(dòng)馬達的線(xiàn)圈上會(huì )伴隨磁鐵的旋轉產(chǎn)生反電動(dòng)勢，與旋轉轉子的功率相抵消的緣故。

圖2：東芝的HEV及EV驅動(dòng)系統所使用的PRM馬達示例

　　解決SPM的這一課題的是，IPM（Interior Permanent Magnetic）馬達以及IPM馬達的一種PRM（Permanent Magnetic Reluctance）馬達。IPM馬達是一種在轉子里嵌入永久磁鐵的PM馬達。與SPM馬達不同，減弱了源于永久磁鐵的扭矩，而是利用轉子的磁阻扭矩。這樣即使在高轉速區域，也可高效率地工作。PRM馬達是一種進(jìn)一步強化了這一方向性的馬達。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，將控制范圍擴大至高轉速區域。順便提一句，普銳斯采用的就是PRM馬達。

　　(圖2)是PRM馬達的示例（被應用于東芝開(kāi)發(fā)的HEV及EV混合動(dòng)力系統）。通過(guò)在轉子鐵芯內呈V字狀配置永久磁鐵，實(shí)現磁各向異性強的形狀，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97％。最高轉速提高到了基速的5倍。

反電動(dòng)勢抑制技術(shù)的開(kāi)發(fā)取得進(jìn)展

　　目前，馬達開(kāi)發(fā)在進(jìn)一步小型化及高效率化的要求下不斷推進(jìn)。其中之一就是對磁鐵旋轉造成的反電動(dòng)勢進(jìn)行抑制的技術(shù)。使用該技術(shù)有望實(shí)現EV等要求的高轉速區域內的高效率。目前開(kāi)發(fā)的反電動(dòng)勢抑制技術(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(lái)改變旋轉狀態(tài)下的磁鐵的磁力。第二種是線(xiàn)圈切換方式，就是將定子線(xiàn)圈分割成兩部分，低轉速時(shí)在兩個(gè)線(xiàn)圈中流過(guò)電流，高轉速時(shí)僅在一個(gè)線(xiàn)圈中流過(guò)電流。第三種是勵磁線(xiàn)圈方式，就是使流過(guò)線(xiàn)圈的電流發(fā)生變化，由此來(lái)改變磁通量。

　　(圖3)列出了使用釤鈷磁鐵的可變磁力式馬達的示例。東芝在洗衣機上采用了該馬達，同時(shí)實(shí)現了洗滌時(shí)低轉速下的高扭矩，以及脫水時(shí)高轉速下的高效率。東芝由此將耗電量降低了16％。如果將該技術(shù)導入到電動(dòng)汽車(chē)的馬達上，便可實(shí)現超過(guò)以往的低轉速區域內的高扭矩以及高轉速區域內的高效率?？梢哉f(shuō)，這是僅靠馬達行駛的EV所不可或缺的技術(shù)。

　　在混合動(dòng)力車(chē)中，馬達的作用主要有三個(gè)：發(fā)動(dòng)機扭矩的輔助、馬達行駛，以及利用再生能量?；旌蟿?dòng)力車(chē)通過(guò)在發(fā)動(dòng)機效率差的起步時(shí)、低速行駛時(shí)及加速時(shí)利用馬達對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行輔助，這樣做有助于提高燃效。由于馬達行駛時(shí)使用電池儲存的電力來(lái)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(mén)踏板的發(fā)動(dòng)機制動(dòng)時(shí)，以及踩下制動(dòng)踏板人為減速的制動(dòng)時(shí)，把馬達用作發(fā)電機，將發(fā)出的電力存儲到蓄電池中。

車(chē)輛重量與驅動(dòng)扭矩間的關(guān)系為3.3N?m/kg

表1：各廠(chǎng)商的電動(dòng)汽車(chē)所配備的馬達與發(fā)動(dòng)機特性

　　理論上，馬達在靜止狀態(tài)下產(chǎn)生最大扭矩(圖4)。相反，在高轉速區域內扭矩會(huì )下降。而發(fā)動(dòng)機則是在高出某一固定值的高轉速區域內產(chǎn)生最大扭矩。比如，第三代普銳斯在每分鐘5200轉時(shí)產(chǎn)生142N?m的最大扭矩?；旌蟿?dòng)力車(chē)就是通過(guò)相互彌補馬達與發(fā)動(dòng)機在扭矩特性上的這一不同，實(shí)現最大燃效性能的。具體而言，就是在起步時(shí)利用可在低轉速下產(chǎn)生高扭矩的馬達，在高速行駛時(shí)利用發(fā)動(dòng)機的驅動(dòng)力。

　　(表1)列出了豐田汽車(chē)、日產(chǎn)汽車(chē)、本田技研工業(yè)、三菱汽車(chē)的電動(dòng)汽車(chē)所配備的馬達及發(fā)動(dòng)機的特性。這些廠(chǎng)商均采用了從低轉速區域到高轉速區域均可實(shí)現高效率的IPM馬達，但所配備的馬達性能卻有很大差異。當然，這些差異是由車(chē)輛重量以及混合動(dòng)力的設計方式的不同而造成的。從表中的馬達來(lái)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，其最大輸出功率和最大扭矩均低于其他車(chē)型。原因就在于本田混合動(dòng)力系統"IMA（Integrated Motor Assist System）"的設計思想。INSIHGT和飛度采用的IMA是在以發(fā)動(dòng)機為主、馬達為輔，并以低成本來(lái)實(shí)現的目的之下開(kāi)發(fā)的。

　　混合動(dòng)力車(chē)起步時(shí)決定加速性能的是馬達扭矩和車(chē)輛重量。(圖5)列出了兩者間的關(guān)系。與車(chē)輛重量達到2230kg的雷克薩斯600h相比，車(chē)輛重量?jì)H為1290kg的第二代普銳斯使用的是高扭矩馬達。乍一看，車(chē)輛重量與馬達扭矩之間似乎沒(méi)有什么關(guān)系。這是因為馬達本身的扭矩并不表示為直接驅動(dòng)輪胎的扭矩。在驅動(dòng)輪胎的機構與馬達之間存在各種齒輪。這些齒輪可使馬達扭矩增大，傳遞給輪胎?？紤]這些齒輪的變速比及減速比，便可顯示出車(chē)輛重量與驅動(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(chē)輛重量之間的關(guān)系。所有車(chē)型的座標點(diǎn)幾乎排列為一條直線(xiàn)。直線(xiàn)的傾斜度約為3.3N?m/kg。

　　汽車(chē)廠(chǎng)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。比如，普銳斯從第二代向第三代過(guò)渡時(shí)，設置了減速齒輪。在驅動(dòng)輪胎的最終減速器與動(dòng)力分割機構之間設置了齒輪比為2.936的減速機構。通過(guò)這一措施，使馬達扭矩從400N?m降到了207N?m。馬達的重量與扭矩基本成比例。豐田通過(guò)設置減速齒輪，使第三代普銳斯的馬達實(shí)現了小型輕量化。