北海道大学开发HEV用驱动马达，无须稀土

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北海道大学开发HEV用驱动马达，以铁氧体磁铁实现50kW输出功率
2010/10/09 00:00 打印 E-mail  

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　　日本北海道大学研究生院教授竹本真绍等开发出了用于混合动车（HEV）的铁氧体磁铁驱动马达。

　　嵌入马达的永久磁铁使用低价且材料丰富的铁氧体磁铁，而非原来的稀土类钕磁铁。在与市售HEV （2003年上市的第一代普锐斯）的驱动马达同等的体积下，实现了相同的50kW输出功率。该马达是在日本NEDO（新能源产业技术综合开发机构）委托下开发的。

　　新开发的马达与“普锐斯”及“Insight”不同，采用以2枚定子夹着1枚转子的轴向间隙型构造。轴向间隙型马达已在空调等领域实用化，而此次创新之处在于转子表面与铁氧体磁铁和内芯（压粉铁芯）呈交替状配置的“分段构造”。磁通量从定子穿过转子（磁铁或内芯）达到另一定子。由该磁通流在定子与转子之间产生转矩，使转子旋转。

　　为了对转子磁铁和内芯进行支撑，采用了以不锈骨架支撑的构造。转子上磁铁与内芯之间距离2mm左右，而转子表面与定子表面只相距1mm左右。这样，从定子穿过转子磁铁（或内芯）的磁通量几乎不流过相邻的内芯（或磁铁），而是穿过对置的定子，从而可有效使用磁通量。

　　普锐斯及Insight等已有电动车辆采用在转子与定子之间两维发生磁通量的径向间隙型马达。此次开发的轴向间隙型马达具备即使马达轴长较短也可获得高转矩的特点，但定子需要2枚，构造复杂。

　　试制机型的尺寸方面，轴长为156mm，定子直径为269mm。容积与使用钕磁铁的市售混合动力车相同，为8.81L。定子内芯材料与转子内芯一样，采用压粉铁芯而非电磁钢板。通过使用压粉铁芯，可三维流过磁通量。此次在低速区1700rpm实现了与采用钕磁铁的马达同等的51.5kW输出功率。但最大转矩为301N·m，仅为第一代普锐斯的75％左右，因此今后还需要进一步提高功率。（记者：小川 计介）

                               
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请问,这是盘式电机吧?
是否开关磁阻式?

paulge

是盘式电机，但是转矩密度能做到多高还是个问题

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最大转矩为301N·m
___________________
这个指标怎么样?什么水平?

tjulix

中文部分和下面的图片有些不合，不知道是不是翻译的问题。
中文部分说“为了对转子磁铁和内芯进行支撑，采用了以不锈骨架支撑的构造。转子上磁铁与内芯之间距离2mm左右，而转子表面与定子表面只相距1mm左右。这样，从定子穿过转子磁铁（或内芯）的磁通量几乎不流过相邻的内芯（或磁铁），而是穿过对置的定子，从而可有效使用磁通量。”这在我看来是没有道理的，磁通从哪里走都是一个闭环，转子并起来用分开用的结果是等效的。
下图中没有提到中文的这个说法，但是提到说：和以前机器的对比，现在的设计将转子铁心部分有调整，增大了凸极比。这就很靠谱了。

如果不使用Nd来制作相同功率的电机，一般都是会用到磁阻转矩。我还见过其他日本大学的方案，大同小异。但是回过头来说，假如铁氧体+磁阻转矩都能做到这个水平，那Nd磁铁+磁阻转矩的功率密度只会翻倍。小日本想摆脱对稀土的依赖，至少目前看还是没有什么特别大的希望

pat

就是一双定子电机，既然如此，用铜量就增多了。暂时应该还不能跟同功率的NdFeB电机比。

danjuan

这个还是有意义的，成本能降下来最重要，稀土的价格会上升的，即使是中国自己的企业。

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目前日本电机用 包铜铝线 代替铜线,外径增加,成本降低,利用趋肤效应.

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长崎大学开发出了新型开关磁阻电机（SRM）。这种电机在转子上添加了铁以及铝合金，与使用铁制转子的SRM相比，转矩可增大40％，振动则只有1/3。

　　转子的转轴为钢制，周围包有一层铝合金，外层还包有一层铁。定子排列也与普通定子不同，铁心之间穿过一股金属线。以往都是用线圈包住铁芯，所以铁芯之间有两股金属线。　

　　这种结构使磁力线从铁芯指向转子，然后再回到相邻的铁芯。只需要通过一个很短的距离。以往的转子中，磁力线需要穿过转子的中央，通过距离较长，带来的涡流损失较大。产生的力迫使电机椭圆变形从而引起震动。（记者：浜田 基彦）

lijian613

E1EEFQ_2006_v1n1_58.pdf (419.58 KB, 下载次数: 45)

2010-10-19 11:03 上传

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详细信息请参考论文
[td=1,1,139]The  Fundamental  Characteristics of Novel Switched  Reluctance Motor[/td]

lijian613

回复 5# tjulix

“为了对转子磁铁和内芯进行支撑，采用了以不锈骨架支撑的构造。转子上磁铁与内芯之间距离2mm左右，而转子表面与定子表面只相距1mm左右。这样，从定子穿过转子磁铁（或内芯）的磁通量几乎不流过相邻的内芯（或磁铁），而是穿过对置的定子，从而可有效使用磁通量。”

这里选取气息1mm小于转子铁心和磁钢间距2mm的理由，因该为防止磁通从转子磁钢直接流入转子铁心，造成漏磁。
因此，转子上磁铁与内芯之间距离应该数倍于气息距离。
即使转子上使用内心，q轴的电感并不能增大多少，我们做过这方面的研究，发现电枢磁通能通过内芯的部分太少，这个和IPM的磁路不同。
其实如果想增大凸极率，可以采用负凸极率的思路，既可以减少磁刚用量，可以利用磁阻转矩，并实现弱磁控制。

日本人用铁氧体来代替Nd，还想得到Nd电机相同的功率密度，那只能通过电枢提供d轴电流励磁，增大气息磁密度，所以我认为转子内芯应该是为这部分磁通提供通道的。

tjulix

论文我看了，中心意思应该就可以用上面的截图来表示，不过我个人觉得左边的图应该比右边传统的结构凸极性要弱一点，就是说，在单位电流下的力矩会小一点。
我是这么看的：
1. 磁链总是沿磁阻最小的路径闭合；
2. 如果转子就是一个实心铁心，那么显然在两极的磁场中，磁链会通过圆心。说明通过圆心的磁路磁阻最小，令其为Rm；此时无论转子在什么角度，磁阻均最小，没有凸极性；
3. 当转子表面去掉一些部分以后，如右图，只有在凸极和定子磁链方向对齐后才是磁阻最小，仍近似为Rm，此时转子就具有了凸极性；
3. 当转子中去掉一个正方形后（如左图），磁链被迫沿“面包状”部分闭合，此时磁阻应该大于Rm。

L=N^2/Rm

不过我想可以使用“铜钱”结构来增大凸极性，就是把面包形变为橄榄形，两端尖，中间鼓，或者值得研究一下。

tjulix

论文我看了，中心意思应该就可以用上面的截图来表示，不过我个人觉得左边的图应该比右边传统的结构凸极 ...
tjulix 发表于 2010-10-19 12:37

                               
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    仔细再看了一下论文，发现文中说到左图的单位转矩电流还会小一点，很有意思。可是我上面的推论哪里错了呢？

tjulix

回复 11# lijian613


    恩，明白了。我原来以为中间那个骨架叫做内芯，看错了。
   电枢磁通通过内芯的太少--请问那通过了哪里呢？

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这种结构使磁力线从铁芯指向转子，然后再回到相邻的铁芯。只需要通过一个很短的距离。以往的转子中，磁力线需要穿过转子的中央，通过距离较长，带来的涡流损失较大。产生的力迫使电机椭圆变形从而引起震动。

________________________
看来这种构造还可以减震,同时节能?

另外请问,除了椭圆变形,
开关磁阻电机震动大,是否还有转子惯性的原因,
就是说:
转子转到最小磁阻处,由于惯性继续旋转,冲过最小磁阻处然后被磁力回拉,导致转速不均匀,引起抖震?

tjulix

可以这么想，但是实际上应该不会向回拉。电机总是正向的转矩，但是转矩纹波很大。

lijian613

回复 14# tjulix

加入内芯的目的是更容易电枢磁通流过该部分，以增大q电感，但是
效果不明显，电枢磁通并没有集中流入内芯。

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回复 16# tjulix


    那么，那个四方形部分,如果用碳纤维之类有弹性的材料做,应该可以进一步减小抖震,同时减重吧?
    现在动能储存用的飞轮盘都是碳纤维来做的.
   增加凸极数应该可以减震?

lijian613

帖子讨论到这儿简直是无语了，

龍が如く

回复 11# lijian613


    控制那边稍微改一下，加点励磁D轴电流 用铁氧体来代替Nd 我觉得会得到 功率密度介于异步和稀土永磁机的综合方案，而且铁氧体不怕热。额外励磁的D轴电流会增大定子电流的幅值 增加热负荷 同同样功率扭矩的稀土永磁电机比 功率密度恐怕还是要低一些 不过比异步机的功率因数和密度要高些 是一个成本和性能综合的理想方案。