北海道大学开发HEV用驱动马达，无须稀土

lijian613

回复 20# 龍が如く


  如果电机设计时，适当设计凸极率，可以用磁阻转矩来抵消由于磁密降低导致的永磁转矩减少。

yokerxiao

提到稀土  我就想到中国和日本

wxl-sdrj

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?
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说得很好：有一种设计方案是将转子凸极之间用弹簧联接，以减轻转矩脉动的问题。相当于在电机转子上加上一个离合器的弹性结构。   
凸极数的增加可以使转矩脉动3次方降低，但会使功率元件开关频率增加，控制器损耗和温升增加。

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开关元件绝对不是问题,因为今年碳化硅试投产,氮化镓已经投产两年.
初代产品晶圆直径小,造价高.
二代三代产品(2012-2015)就是可以普及的了。
功率半导体目前与逻辑芯片分立,二代以后才能合并,速度有数量级提高.

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【电动汽车拆解】马达（十）：借助辅助线圈控制磁场，稀土类磁铁减少一半（上）
2010/08/13 00:00 打印 E-mail  



　　日本名古屋工业大学开发出了采用辅助线圈提高输出功率密度的驱动用马达。通过改变在辅助线圈中流通的直流电的方向，可增强或者减弱永久磁铁的磁通。在马达转速较低时，借助“增强磁场”来提高输出功率。如果转速升高时，则可通过“减弱磁场”来降低反电动势及铁损，从而提高效率。

　　名古屋工业大学面向EV（电动汽车）及HEV（混合动力车）用途，开发出了提高输出功率密度的驱动用马达（图1）。

　　其特点是，为了提高输出功率密度，不像以往那样大量使用稀土类磁铁，而是采用了在定子一侧追加辅助线圈，借此补充稀土类磁铁的磁通的构造。在只有丰田于2005年推出的“雷克萨斯RX400h”驱动用马达的磁铁量一半的情况下，却获得了同等的输出功率密度。

                               
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图1　此次开发的驱动用马达的构造
与以往的驱动用马达一样，在转子的外周侧配置定子。此次新增的一点是，以从左右夹持转子面的方式配置辅助线圈。


　　驱动用马达的输出功率及扭矩与稀土类磁铁的量成比例。一般情况下，为了提高输出功率，大多是增加磁铁用量。然而，保证磁铁在高温下不退磁的添加剂Dy（镝）等稀土类元素大多依赖从中国进口，因此，除了有不能稳定供给的风险之外，价格也有上涨的可能。

采用辅助线圈进行的尝试

　　新开发的马达与以往的驱动用马达一样，由定子（主线圈）及转子构成。新增加的一点是，在马达内部追加了可增强或者减弱永久磁铁的磁通的辅助线圈（图2）。辅助线圈以夹持转子表面的方式进行配置。每台驱动用马达使用2个辅助线圈。虽然稀土类磁铁产生的磁通一直保持恒定，但通过追加辅助线圈，就能根据转速及扭矩，实现补充磁铁的磁通的“增强磁场”以及相反的“减弱磁场”（图3）。

                               
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图2　驱动用马达的试制机
照片为1/3尺寸的试制机。通过仿真已确认，可以与现有混合动力车的驱动用马达相同的尺寸产生同等的输出功率。

                               
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图3　通过辅助线圈进行的磁场控制
通过对辅助线圈中流通的电流进行控制，以实现增强磁场及减弱磁场。


　　采用辅助线圈方式的提案，并不是第一次。美国威斯康辛（Wisconsin）大学的T.A.Lipo等人曾经发表过此类提案。

　　威斯康辛大学的方式是，沿定子的圆周方向将辅助线圈配置在定子中。不过，转子及定子的铁芯不是硅钢板及软磁性复合材料（SMC），而是采用了软铁块。由于是软铁块，因而具有磁通可在马达的轴方向上流通的优点，但由于时常会产生涡电流，因此效率较差。

　　而名古屋工业大学在仿真的基础上，不仅成功地借助辅助线圈产生了接近于磁铁磁力3倍的磁通，还通过减弱磁场将磁铁磁力减小到了零（图4）。图4的纵轴表示辅助线圈产生的磁通的强度。纵轴0为辅助线圈中没有电流流通的状态，只有磁铁的磁通在其中流通。如果纵轴为100（％），则是可借助辅助线圈产生与磁铁相同的磁通。纵轴为258％时，可产生磁铁的2.58倍的磁通。

                               
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图4　磁场控制的对比
以（a）实际大小（仿真）、以及（b）1/3比例尺（仿真与实测值）测量了增强磁场及减弱磁场的数值。增强磁场的理想状态是，在较小的电流下数值增大。减弱磁场的理想状态是，可在较小的电流下使磁场减小到零（调整率为-100 ％）。


　　同样，-100（％）表示可借助辅助线圈消除磁铁的磁力。横轴表示磁场。较小的电流便能使纵轴数值发生变化的话，则效率较高。

　　为了确认仿真的数值，我们在1/3尺寸的马达上将试制品与仿真结果（3维FEM）进行了对比。其结果是，通过仿真及试制机在增强磁场及减弱磁场时都获得了同等的数值。

马达的工作状态使得磁场发生变化

　　采用增强磁场及减弱磁场两者中的哪一种，取决于驱动用马达的工作状态。具体而言，刚刚起动之后等转速较低时由于需要较大的扭矩，因此采用增强磁场（图5）。而在转速较高（高速巡航时）时，为了与转速以及磁铁的磁通成比例地降低定子产生的反电动势及铁损，则采用减弱磁场。此时如果能降低反电动势，则可提高效率。

                               
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图5　驱动用马达的转速及扭矩图
在较低的转速下，通过增强磁场使其产生较高的扭矩。而在较高的转速下，通过改为减弱磁场，可降低反电动势及铁损，从而通过效率。


　　通常，如果马达的转速到达某一特定的数值，扭矩会降低。因此，以往的马达采用了一些特别对策，例如：为了在转速较高的区段也能产生扭矩，追加升压器提高电压使其运行，或者在较高转速下减少线圈的数量等。而且，虽然已知反电动势与磁铁的磁通成比例增减，但由于此前不能将反电动势完全减小到零，因此，效率的提高存在极限。（未完待续，特邀撰稿人：小坂卓，名古屋工业大学研究生院副教授）

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【电动汽车拆解】马达（十）：借助辅助线圈控制磁场，稀土类磁铁减少一半（下）
2010/08/16 00:00 打印 E-mail  

增强磁场及减弱磁场付诸实现

　　在此次开发的马达中，辅助线圈起到增强磁场及减弱磁场的两种作用（图6）。在减弱磁场时，可通过施加与磁铁磁力相反方向的磁通，使磁铁的磁通减小到零。其结果是，可降低（包括降低到零）施加在定子上的反电动势，并可将定子的电流高效率地转换为驱动力。

                               
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图6　磁通流的变化
（a）辅助线圈中没有直流电流通时的磁通流（转子的永久磁铁所产生的）。（b）在辅助线圈中通入直流电，增加了增强磁场的磁通时。（c）在辅助线圈中与（b）逆向通入电流，增加了减弱磁场的磁通时。


　　通过马达的磁通，与以往驱动用马达的磁通不同。具体而言，此前的驱动用马达在转子与定子之间，磁通沿着2维方向通过。而此次的马达在转子与定子间产生3维（包括马达旋转轴的方向）的磁通。

　　以往的EV及HEV所采用的转子及定子，为硅钢板堆叠而成的构造。虽然在硅钢板堆叠的方向（马达的轴方向）上磁通不容易通过，但在薄板内磁通容易通过。因此，以往是以2维的磁通为前提来设计马达的。

　　而此次开发的马达由于采用了磁通可3维通过的构造，因此，在马达的厚度方向上磁通也能通过。磁通2维通过的部位像以前一样由硅钢板堆叠而成，而磁通沿马达的轴方向通过的部位则换成了SMC（软磁性复合材料）。SMC是对铁粉等具有磁性的粒子表面进行绝缘皮膜处理而成的。虽然在所有方向上允许磁通通过，但由于进行了绝缘处理，因而具有涡电流损失较少的优点。

允许磁通3维通过的铁芯

　　与已有的驱动用马达相比，此次马达的构造在转子及定子的构造、永久磁铁的配置、铁芯的配置及材料、辅助线圈的使用这些方面有所不同。

　　转子与永久磁铁采用的是由2枚转子夹持圆盘状永久磁铁的构造。虽然转子是由硅钢板堆叠而成的，但采用了转子的轴附近配置SMC、从而使磁通可沿轴方向通过的构造。

　　由于2枚转子的相位相互交错重叠在一起，因此，转子产生的磁铁磁通成为贯穿作为定子的主线圈的交链磁通。如果一次线圈的磁通发生变化、则二次线圈上就会产生电压，交链磁通符合电磁感应原理。一次线圈为磁铁及辅助线圈，二次线圈相当于主线圈。

　　假如2枚转子不错开相位而重合在一起，那么，由于转子产生的磁铁磁通与作为定子的主线圈的磁通不交差，因此，两者的磁通不会成为交链磁通。即使改变一次线圈的磁通，如果一次线圈的磁通不贯穿二次线圈的话，那么二次线圈的电压仍不会发生变化。

　　辅助线圈以从左右夹持转子的方式，配置在主线圈端部的内侧。在新开发的马达中，定子（主线圈）中流通的电流像以前一样为3相交流电，但辅助线圈中流通的电流为直流电。可根据马达的转速及扭矩的数值，改变辅助线圈中流通的直流电的方向。通过改变辅助线圈的电流方向，即可增强磁铁的磁通、或者消除磁铁的磁通。辅助线圈被SMC的铁芯覆盖，磁通在辅助线圈的铁芯中通过。

磁铁的磁通有两种

　　此次开发的马达设想用于辅助线圈中一直有电流流通的用途。不过，即使辅助线圈中没有电流流通时，被2枚转子夹持的永久磁铁仍会产生磁通。永久磁铁的一个面为N极，相反的面为S极。其结果是，靠近永久磁铁的N极面的转子整体成为N极，靠近永久磁铁的S极的转子整体成为S极。

　　从嵌入转子的磁铁的N极流向S极的磁通有两种。一种是（1）按N极的转子→定子（主线圈）→S极的转子这个顺序流通的磁通。这种磁通成为与主线圈交差的“交链磁通”，因此，是做功的磁通。另一种是（2）按磁铁的N极→N极侧辅助线圈的铁芯→定子的外侧铁芯→S极侧辅助线圈的铁芯→磁铁的S极这个顺序流通的磁通。第（2）种磁通不与主线圈产生交链，因此，是不做功的磁通。

　　当需要增强磁场时，向辅助线圈中通入电流，以使第（1）种磁通流中从转子流向定子的磁通、以及从定子流向转子的磁通增加。需要减弱磁场时，向辅助线圈中通入电流，以消除磁铁的磁通。

　　在此次仿真过程中，实现了与2005年推出的雷克萨斯RX400h上配备的驱动用马达相同的尺寸、以及相同的输出功率密度（最高输出功率为123kW、输出功率密度为3.4kW/kg）。

　　另外，我们还制作了真机的1/3试制机。在试制机上，将转子与定子之间的空间（Gap）设为0.3mm，将转子与辅助线圈之间的空间设为0.5mm。虽然转子与辅助线圈之间的空间通过计算为0.2mm，但考虑到安装误差等，我们将其扩大到0.5mm后进行了组装。

　　与RX400h的驱动用马达相比，仿真时实现了同等的输出功率密度（表）。

                               
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　　本研究项目是在日本NEDO（新能源产业技术综合开发机构）的委托业务“新一代汽车用高性能蓄电系统技术开发”的支持下实施的。（特邀撰稿人：小坂卓，名古屋工业大学研究生院副教授）

■日文原文：補助巻線で界磁制御、希土類磁石は半減

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罗姆开发出可内置于马达的SiC模块
2010/10/26 00:00 打印 E-mail  

                               
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左上为配备了6个SiC沟道型MOSFET的模块，右上为配备了18个SBD的模块。下面的模块配备了4个沟道型MOSFET和3个SBD。
　　罗姆开发出了可内置于马达的多款功率模块，并在2010年10月举行的“CEATEC JAPAN 2010”上进行了展示。通过在马达驱动用电路的功率模块上采用可高温工作的SiC功率元件，提高了耐热性。据罗姆介绍，通过内置于马达进行驱动，缩短了布线，降低了在布线上的电力损失。

　　此次开发的功率模块共有三种类型：①配备肖特基势垒二极管（SBD）的类型、②配备沟道型MOSFET的类型、以及③配备沟道型MOSFET和SBD二者的类型。会场上演示了将①和②内置于马达后，驱动车轮旋转的工作演示（图1）。

  
图1：可内置于马达
罗姆公开了将配备SiC功率元件的模块内置于马达，驱动马达以旋转车轮的演示。利用了4个配备沟道型MOSFET的模块和2个配备SBD的模块。耐压均为600V，输出电流均为450A。还配备了该公司面向SiC制MOSFET用途开发的栅极驱动IC。


　　①和②的耐压均为600V，输出电流均为450A。③的耐压为600V，输出电流为300A。与采用硅功率元件、性能大致相同的功率模块相比，①和②的体积缩小一半，③缩小至约1/10。

　　①～③均在225℃的温度下工作。除采用了SiC功率元件外，还通过改良安装方法和封装材料等，实现了200℃以上的驱动。

　　罗姆除了模块外，还开发出了SiC制MOFET用栅极驱动IC，并在会场上进行了演示。可高速进行开关动作以及施加较高的栅极电压（18V）。据罗姆介绍，即使开关时的占空控制比较复杂，也能以100k～200kHz进行开关。

　　此次为提高开关动作的速度，在封装内形成了绝缘用变压器，没有使用光电耦合器。原因是，开关速度越快“光电耦合器的寿命越短”（解说员）。通过去除光电耦合器，还对削减安装面积做出了贡献。

　　通过内置变压器，确保了2500Vrms的绝缘电压耐量。据罗姆介绍，为了使变压器不易受到电磁噪声的影响，进行了一些改进。

　　工作温度为-40℃～+125℃。今后考虑使其与SiC功率元件一样，在225℃的高温下也能工作。将通过采用支持高温的SOI底板实现。（记者：根津 祯）

潇潇雨歇

学习中。。。不过这个50KW电机貌似还是没有用上