日本电动汽车马达进展

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日经BP社文章
【技术讲座】左右马达性能的线圈（上）

2010/12/22 00:00
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　　用来驱动EV及HEV的马达要求尺寸小、重量轻且价格低。其中重要的基础技术是“线圈绕线方法”。将扁平线相对于内芯纵向缠绕；在不分割内芯的情况下高密度绕线；将16根裸导线拧在一起缠绕，并避免交叉。这些绕线措施直接关系到马达的性能，甚至EV的性能。

　　马达技术对EV（电动汽车）及HEV（混合动力车）的发展起到支撑作用。尽管该领域不像电池那样能够成倍提高性能，但疏忽大意的话同样会在竞争中落败。因为这种技术还有进步的“空间”。

　　马达的主要部件——线圈目前正在以占空比为轴心不断发展进步。占空比是实际导线截面积在与电流垂直的平面切割线圈时的截面积中所占的比例。如果占空比提高，便可实现尺寸小、重量轻且强有力的马达。

早晚会采用扁立绕法

                               
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图1：利用PEEK胶带绝缘后的扁立绕组线圈
可以看到胶带斜向缠绕。转角处因加工而出现了严重变形，不过胶带表现出了良好的追随性
。 　　“能够使用‘扁立（Edge Wise）绕法’线圈”是马达技术人员的梦想。扁立绕法线圈是将导线边缘（Edge）紧贴内芯（铁芯），将导线相对于内芯纵向缠绕的线圈（图1）。因散热性出色，能够提高马达的输出功率。

　　目前已经出现了距离这一梦想更近一步的技术。那就是由聚醚醚酮（PEEK）制成的绝缘胶带。PEEK树脂销售商Victrex Japan与Towatec及浦谷工程共同开发出了利用这种胶带对扁平线进行高密度扁立卷绕的加工技术。

　　就少量生产来说，扁立绕法是始于大正时代的技术。在EV方面，已被电抗器（Reactor）等小型产品采用。但此前尚未用于马达，更不用说用于汽车的大型马达。

　　线圈的导线一般为截面呈圆形的圆形线〔图2（a）〕。后来又发展为正方形及长方形的方形线，在长方形导线中，又出现了纵横比较大的扁平线。目前已开始普及的是采用扁平线绕制的平绕线圈〔图2（b）〕。马达技术人员的梦想是在此基础上进一步发展成扁立绕法线圈〔图2（c）〕。

                               
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图2：因线圈线不同而产生的差别
由（a）圆形线发展为（b）平绕法扁平线。（c）下一目标是扁立绕法扁平线。红色部分的温度会上升。

　　平绕的别名又称倒绕。这是一种使扁平线的平坦面紧贴内芯进行卷绕的方法。给人的印象是将丝带线紧紧卷绕在内芯上。另外，虽说是“紧贴内芯”，但有时也在其他工艺中加工以后再插入内芯。

　　扁立绕法与平绕法相比，导线的卷绕方法相差90度。弯曲的部分外侧大幅伸展，而内侧则大幅收缩。给人的印象从丝带线缠绕，变成了塑性加工。难度一下子提高不少。

　　如果用圆形线绕制线圈的话，就无法期待获得多高的占空比。由于是在四方形空间中并排放置圆形物体，因此到处都会留下缝隙。计算式的分子中不包含绝缘皮膜截面积的“标准占空比”只有35～55％左右。而采用方形线的话，就能消除缝隙，使占空比提高至62～85％。

　　无论是平绕法还是扁立绕法，占空比都不会产生多大差别。产生差别的是散热性。驱动马达旋转时，与铜损相当的电力会在线圈内变成热量。由于要防止过量电流损害绝缘材料，因此电流的上限值一定，这样输出功率也一定。要提高输出功率，就需要不断进行冷却。

　　线圈产生的热量会从内芯散发到定子外侧的圆环，然后释放到马达表面的散热片及冷却水流道中。使用圆形线绕制线圈的话，热量就会沿着导线→绝缘材料→缝隙→绝缘材料→相邻导线这一路线反复流通。当然，因到达内芯的热阻力较大，因此会导致导线温度上升。

　　如果是方形线或扁平线的话，只要仔细卷绕，就能使缝隙缩小，热量的通路会缩短为导线→绝缘材料→相邻导线，这样就会提高散热性。即便如此，远离内芯的导线的热量也会在数次通过绝缘材料后最终到达内芯。因导线为铜线，因此热传导率较高，而绝缘材料的热传导率较低。

　　采用扁立绕法时，所有导线的边缘都会接触内芯。因此热量不会传至“相邻导线”。通路可简化至导线→内芯。热阻力会变得极小。

很难用扁平线制造漆包线


　　在此需要介绍一下绝缘胶带。要采用扁立绕法绕制线圈，需要使用纵横比极大的扁平线。但此前存在绝缘问题，因此制造起来比较困难。

                               
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图3：用扁平线制造漆包线时
涂膜厚度不均匀，有时会导致涂膜龟裂。

　　以往的绝缘材料是名为漆包线的材料。其实涂布的是聚酯及聚酰胺-酰亚胺（PAI）等绝缘材料。涂布后还需要烘干，涂膜会在烘干后收缩。如果是圆形线的话，收缩会比较均匀，而扁平线却会出现问题。由于涂膜会收缩，也就是相互吸引，因此很多绝缘体会聚集在长边的中央部，导致涂膜厚度增加（图3）。边角部分则被周围拉紧，导致涂膜变薄。纵横比较大时，甚至会导致涂膜龟裂。

　　作为解决这一问题的对策，扁平线不使用涂膜而用绝缘胶带的情况居多。原来选择的对象是聚酰亚胺（PI）胶带。PI薄膜比较硬。采用扁立绕法时，缠绕胶带后要进行“塑性加工”，因此若胶带不会相应伸展或收缩的话就会很麻烦。所以，以前在扁立绕法中采用PI薄膜比较困难。而PEEK可以伸缩，能够适应“塑性加工”。

　　选择PEEK有助于实现扁立绕法的另一个原因是具有耐热性。采用扁立绕法时，会受到很大的加工应力。构成导线的Cu（铜）晶格会发生移位，导致晶体配置混乱，造成电传导率下降。极端情况下会比铜的电传导率数值低20％。这对于要求减小铜损的马达而言是致命的缺点。认为“扁立绕发线圈是尚未实现的梦想”的人非常重视这一点。

　　而对此起到有益作用的是PEEK的耐热性。缠上胶带并进行加工后可以退火。退火之后，有望使电传导率恢复。通过加工可使下降的电传导率恢复一半左右。

　　尽管导线在不断改进，但采用扁立绕法的绕线机的开发竞争才刚刚开始。支撑导线的方法及施力方法等技术很难掌握，需要使用非常高端的绕线机。而且，由于需要进行塑性加工，因此很难像普通的绕线机那样实现高速卷绕。虽说距离“梦想”接近了一步，但在实用化之前还必须跨过很高的技术壁垒。（未完待续，记者：浜田 基彦）

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无需分割内芯即可提高占空比

　　占空比并不仅仅取决于导线的排列方法，还取决于整个线圈的制造方式。此前，提高占空比的方法有分割内芯法。分割内芯是将定子内芯分为环状圆周部分与线圈部分制造而成的内芯。这是家电使用的主流内芯，但EV一般不用。

                               
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图4：日特工程试制的线圈
虽然不是分割内芯，但内芯与内芯之间的缝隙较小。 　　日本日特工程公司面向EV马达开发出了虽不采用分割内芯却可提高占空比的绕线机（图4）。

　　如果不分割内芯的话，线圈就需要用线嘴式绕线机绕制。绕线机装有供应导线的线嘴，其顶端的运行轨迹是围绕着绕制线圈部分的周围运动。而且可以利用凸轮等进行机械控制。

　　与实际卷绕方向不同，定子的环状圆周部分位于下方，用来绕制线圈的内芯由此向上延伸，并在此水平卷绕线圈（图5）。线嘴顶端会下降至正在卷绕的位置。如果希望整齐地进行卷绕的话，这是正确的方法。由于刚开始卷绕时留有多余的空间，因此，即使线嘴通过内芯与相邻的内芯之间的“低谷”也不会出现问题，不过最后需要留下缝隙让线嘴通过。这种缝隙会遗留在产品上，造成占空比下降。

　　采用分割内芯时，需要先卷绕线圈，最后再进行接合（图6）。卷绕时各个线圈比较分散，因此不必担心会触碰到相邻的线圈，也无需预留用来放入线嘴的空间。这样必定会提高占空比。

　　厂商之所以不想在EV及HEV的驱动马达中使用分割内芯，是因为最后需要将其接合在一起，这样会导致磁阻产生。粘合时，由于要在内芯之间加入非磁性体粘合剂，因此会产生磁阻。如果有缝隙的话，即使缝隙很小也会产生磁阻。即使通过压装等方法使其完全贴紧，不产生缝隙，因金属栅没有连接在一起，同样也会产生磁阻。无论如何都会导致特性降低。

                               
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图5：无需分割内芯的线圈绕制方法
线圈与线圈之间需要留下能让线嘴穿过的空间。

                               
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        图6：分割线圈的绕制方法
逐个绕制线圈，然后再将其接合在一起，因此无需为线嘴预留空间。

                               
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图7：日特工程正在开发的绕线机的卷绕方法
线嘴不能进入线圈与线圈之间。

                               
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图8：图7线圈的俯视图（从马达中心向下看）
只有③到④、⑥到①之间，可将线嘴向上拉至空中并穿过。

　　日特工程公司为了避免使用分割内芯，选择了线嘴型绕线机。首先，像通常一样用线嘴卷绕导线。卷绕到线嘴能够移动的极限范围时，就会改变模式。变成线嘴不下降至线圈与线圈之间的低谷位置，而是从高出供应导线的模式（图7）。

　　从上面观察线圈（图8）的话，③与④之间、⑥与①之间是存在问题的“低谷”，而其他位置即①到③、④到⑥是一头为空的“山崖”。只会在通过“低谷”时将线嘴推至高处，其他时间都会将线嘴降至需要供应导线的高度。

　　将线嘴推至高处时，会导致导线的定位不准确。为了防止这一点，可在线嘴上升之前，在其通过②与⑤的位置之后，用固定工具将导线固定在内芯上，防止其上下移动。

将很多导线拧在一起绕制
　　要提高占空比，除了分割内芯之外，还有一种很早就为人所知的方法。那就是分布绕法线圈常用的“落入”绕法。

　　“集中绕线”方式是在一个内芯上缠绕一个线圈，而“分布绕线”方式是将多个内芯放在一起进行卷绕。集中绕线方式的铜损较少。而分布绕线方式的顿转扭矩（Cogging Torque）较小。丰田“普锐斯”的混合动力系统配备的马达及发电机分别采用了不同的绕线方式，马达采用分布绕线式，发电机采用集中绕线式，由此可以推测，二者今后可能会共存。

　　小田原工程公司开发出了适用于汽车用马达分布绕线的绕线机。特点是可一次卷绕很多导线。

　　其实，EV用马达的线圈是将多条细线（比如16根）拧在一起卷绕后并联而成。像EV一样需要很大扭矩时，必须通过很大电流才能满足需要。要将铜损及其造成的温度上升降至一定水平的话，需要一定的截面积。也就是说要用粗线绕制。

　　不过，如果粗线的曲率半径很小的话，就不能卷绕。另外，频率提高时，导致电流集中在表面附近的“表皮效应”会增大，无论导线有多粗，其中心位置都不会发挥作用。

　　汽车用马达目前仍采用家电等常用的将细线拧在一起的绕线方式。通过将所有导线并联在一起，使其发挥与粗线相同的作用。采用落入绕法时，首先将导线临时卷绕在名为绕轴的夹具上，然后将其放入线圈插入夹具的叶片之间（图9）。满一周后，最后将所有线圈一同插入内芯与内芯之间的沟槽中。由于不受线嘴的制约，因此可提高占空比。

                               
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图9：小田原工程的绕线机
先缠绕在绕轴（右），然后从上面推入线圈插入夹具的叶片之间。

                               
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图10：上面是飞轮，挂在中间的是绕轴，下面是线圈插入夹具
绕轴不动，飞轮围绕其周围旋转，因此导线会扭曲。 　　将导线卷绕在绕轴上的部件称为飞轮（Flyer）。围绕着固定的绕轴来供应导线（图10）。因高度与飞轮相同，因此从位置来说不可能供应导线，因此要在高处设置绕线管（Bobbin），穿过飞轮的旋转轴从上面供应导线。因此，飞轮转动时，导线会扭曲。

　　即使只有一根线也会扭曲，不过是圆形线的话问题不会凸现出来。但若是方形线的话，扭曲后就会出现问题。有16根导线时，会由“扭曲”问题加重为“交叉”问题。线圈平行而整齐地卷绕时，占空比较高。如果交叉后占用多余空间，占空比就会降低。

　　因此，小田原工程在绕轴上设置了名为“Stock Ring”的圆环。从绕线管中取出导线后，将其缠绕在该圆环上，然后按照一个线圈的长度进行切割。绕制完毕后可通过一边解开导线一边将其供应给飞轮的方法，来防止导线交叉。（全文完，记者：浜田 基彦）

■日文原文：モータの性能を左右するコイル

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第二篇：不使用电磁钢板的马达铁芯

等待转帖。

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【电动汽车拆解】马达（十六）：用电磁铁取代永久磁铁的驱动马达（上）

2010/12/20 00:00

                               
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　三菱电机在日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的委托下开发出了不使用稀土类磁铁的驱动马达。内侧为转子、外侧为定子的构造与已有的混合动力车（HEV）用驱动马达相同。其特点是作为使转子产生磁通量的手段，采用了专用线圈而不是以往的钕类磁铁。

　　三菱电机试制出了不使用钕类磁铁的驱动用马达（图1），用电磁铁取代了嵌入转子的钕类永久磁铁。

                               
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图1：爪极型马达试制品的转子
两次试制的产品。不使用稀土类磁铁，目标是实现与已有的混合动力车（HEV）同等的输出功率密度及转矩密度。

　　开发目标是混合动力车（HEV）使用的驱动马达。HEV用马达通常配备在发动机附近，要求具有高耐热性，此外还与发动机一同安装在发动机室内，需要缩短轴长。新型马达解决了这些课题。

　　此次开发的马达采用发动机汽车的发电机所采用的、被称为爪极（Claw Pole）型的转子构造。转子的各极形成了爪与爪交错重叠的构造。

                               
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图2：马达试制品的构造
在转子内部配备专用线圈“励磁线圈”，通过直流电流。转子的磁极呈N极与S极交错排列状态。 　　爪极型马达并未像已有的HEV用马达那样在转子内部嵌入稀土类磁铁，而是在转子内部配置了专用线圈“励磁线圈”（图2及表）。励磁线圈在转子磁极内部围绕着中心轴配置。

省去滑环

　　不过，普通发电机采用转子和励磁线圈同时旋转的构造，因此需要配备滑环和电刷。而此次不同，转子与用于卷取线圈的底座是分离的。线圈和线圈底座固定在马达机架上，所以即使转子旋转，线圈和线圈底座也不会转动。由于可省去滑环和电刷，因此不存在如何来确保电刷寿命的问题。另外，通过使用供电线来通过大电流，还可瞬间产生高转矩。

　　此次开发的马达只是转子的技术提案，因此定子能够与集中绕组及分布绕组等各种绕线方式相组合。

　　从转子的N极发出的磁通量在穿过定子的绕线后再返回至转子上相邻的S极。如果缩短转子表面的爪状磁极间的空隙，励磁线圈产生的磁通量就无法充分到达定子，而在转子内部发生短路，因此需要一定程度的间隙。不过，间隙过大的话，磁极表面的面积就会减小，使转矩降低，所以需要确保适当的数值。

                               
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　　在开始开发的2008年度通过的第一次试制中通过加大发电机确认了基本性能，对实现目标有了一定的把握。不过，只是单纯加大发电机的话，用于HEV时性能就会存在极限。因此，2009年度进行了第二次试制，并计划在2011年度完成最终试制。

　　在性能上是力争达到与最大输出功率为10kW，最大扭矩为100N·m级别的弱HEV用马达同等的性能。计划在最终试制前提高至与已有HEV马达相当的水平，即输出功率密度为1kW/kg，扭矩密度为5N·m/kg（图3）。

                               
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图3：开发目标
以实现与已有HEV同等的转矩密度（5N·m/kg）及输出功率密度（1kW/kg）为目标推进开发。（引自日本能率协会）

第一次试制时内芯采用铁块

　　第一次试制的爪极型马达与发电机一样用铁块制成转子芯。转子芯每隔一极组合两块爪状部件（图4）。两块转子芯部件通过非磁性环连接。

                               
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图4：转子的构成部件
重叠两块转子部件，在内部配置线圈。（引自日本能率协会）

　　转子芯被固定在输出轴上产生转矩，只有成为励磁线圈底座的部分经由间隙与转子芯体分离。励磁线圈基座被固定在马达机架等外部构造部件上。励磁线圈基座的作用是在支撑圆筒状励磁线圈的同时，通过材质采用磁性材料来承当励磁线圈的磁路。线圈中通过直流电（DC）的话，转子就会产生固定方向的磁通量。该磁通量取代了永久磁铁。第一次试制时的主要指标如下。定子的轴长为35mm，外径为260mm。转子的极数为32，外径为218mm，轴长为60mm。

　　第一次试制由于内芯发生磁饱和，因此磁通量的提高存在极限（图5）。经模拟显示，转子端线圈的励磁磁动势达到3000AT（ampere-turn，安匝数）的话，产生的磁通量（Wb）就会增加，而励磁磁动势达到3000AT以上时，即使增加电流及绕线圈数，磁通量也不会增加。

                               
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图5：第一次试制时出现的磁饱和
（a）励磁磁动势在3000AT附近时磁通量出现饱和。（b）励磁磁动势在2000～3000AT时间隙磁通量密度也存在极限。（引自日本能率协会）

　　从磁通量密度（T：特斯拉＝Wb/m2）来看，第一次试制时的平均磁通量密度在励磁磁动势超过3000AT时，即使增加线圈电流及绕数圈数，也只能最多达到0.5T左右，低于普通钕磁铁马达产生的0.6T。（未完待续，特约撰稿人：三菱电机电机系统技术部部长竹内敏惠）

■日文原文：永久磁石の代わりに電磁石使う駆動用モータ

第二次试制使用铁氧体磁铁

                               
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图6：第二次试制时嵌入铁氧体磁铁
爪极型马达的基本构造与第一次试制时相同。通过在极与极之间嵌入铁氧体磁铁来消除励磁线圈的磁通量中对转矩无贡献的泄漏磁通量。各极采用层叠钢板，由此来抑制转子表面产生的涡电流。 　　第二次试制为了抑制第一次试制时最成问题的磁饱和，改为了在转子上配置铁氧体磁铁的构造（图6）。

　　首先，为了减轻磁饱和，采用了通过铁氧体磁铁消除励磁线圈发生的部分磁通量的构造（图7）。

　　励磁线圈产生的磁通量包括（1）与定子的磁通量交链，产生旋转转矩的主磁通量，（2）对旋转转矩无贡献的泄漏磁通量。

　　两种磁通量沿同一方向穿过线圈周围。如果能够抑制泄漏磁通量的话，便可增加相应量的主磁通量，提高转子与定子间间隙部分的磁通量密度。

　　与主磁通量相比，泄漏磁通量只有其数分之一左右。对此，第二次试制采取与励磁线圈产生的磁通量反向产生磁通量的方式配置了铁氧体磁铁。

                               
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图7：铁氧体磁铁的作用
在励磁线圈产生的主磁通量（实线）和泄漏磁通量（虚线）中，朝着消除泄漏磁能量的方向配置了铁氧体磁铁。可增加主磁通量。
　　由于铁氧体磁铁消除了线圈的泄漏磁通量，因此励磁线圈发出的磁通量可从转子芯有效传递到定子，从而使转子与定子间间隙部分的磁通量密度得到增加。

　　第二次试制将励磁磁动势增加到了4000AT，使平均磁通量密度提高至约0.6T，达到了与采用钕类磁铁的马达相同的程度（图8）。

                               
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图8：通过铁氧体磁铁减轻磁饱和
励磁磁动势增至4000AT附近。达到了与已有HEV马达使用的钕类磁铁同等的磁通量密度（0.6T）。（引自日本能率协会）

利用铁氧体磁铁增加转矩

　　对嵌入铁氧体磁铁时与不嵌入铁氧体磁铁时转子与定子间产生的转矩进行比较（图9）后显示，在增加定子的电流密度的情况下，嵌入磁铁时的平均扭矩更高。即使是简单的层叠构造的磁极，通过嵌入磁铁也可获得与复杂的爪状磁极嵌入磁铁时同等的性能，使运转效率得到提高。

                               
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图9：有无铁氧体磁铁时的平均转矩比较
有磁铁时转矩比无磁铁时更高。有磁铁的话，块状爪极与层叠爪极的转矩性能为同等水平。（引自日本能率协会）

                               
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图10：集中绕组与分布绕组的比较
集中绕组与分布绕组显示出大体相同的性能。（引自日本能率协会） 　　以定子的分布绕组和集中绕组进行比较的话，平均转矩几乎没有差异（图10）。而集中绕组除了能够提高线圈占积率外，还可缩短线圈端部，因此集中绕组是更合适的选择。

　　第二次试制的主要指标如下。定子的外径为260mm，轴长为40mm，槽数为36。转子的极数为24，外径为185mm，轴长为70mm。

　　与第一次试制相比，最大变更点是追加了铁氧体磁铁，但此外还采取了将磁极改为容易量产的形状，以及通过追加层叠钢板来抑制转子表面产生的涡电流等对策。

　　第二次试制的课题是转子的重量以及低速大转矩区的效率。与同等性能的已有HEV用马达相比，转子的重量为其两倍，因此，为了完成最终试制，对穿过内芯的磁通量流以及内芯的构造下了一番工夫，实现了轻量化。

　　从效率看，在中速中转矩（巡航时）的25N·m/3000rpm下，爪极型马达达到了89％，接近钕类磁铁马达的90％（图11、12）。而在设想低速大转矩（加减速时）的65N·m/1000rpm下，爪极型马达的效率仅为83％，与钕类磁铁马达石的91％存在较大差距。

                               
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图11：试制机的转矩和效率
10kW输出功率下与模拟值（实线）对比的实测值。最大转矩为100N·m。（引自日本能率协会）       

                               
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图12：试制机的效率比较
与使用已有稀土类磁铁的马达相比，要求提高低速大转矩下的效率。（引自日本能率协会）
　　与使用钕类磁铁的驱动马达相比，爪极型马达将流过转子端线圈的电流算作损失，因此效率较差。另外，爪极型马达在低速区时励磁线圈的铜损较大，要完成最终试制的话，还须努力使之得以改善。（特约撰稿人：三菱电机电机系统技术部部长竹内敏惠）

■日文原文：永久磁石の代わりに電磁石使う駆動用モータ

龍が如く

呵呵 很好的资料 谢谢楼主

zhouyanghua

不错，很好！！

wxl-sdrj

非常好的介绍资料，谢谢！
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对于30----60KW电机，从理论计算来看采用近似于方形的扁线可以提高槽满率18%---26%。
非常适合于开关磁阻电机、无刷直流等开关频率略低一点的产品。
这是散热的方式的很好的方向。
但立绕很困难，10年夏天试过---没有成功。
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直绕式的立式绕线方式，我感觉不可能实施。

fanyangping1

哇   开眼界了   现在电动汽车很热

qblawy1988

期待的扁线电机的出现

pat

多谢5525提供这么好的资料！

penguinqc

不错啊，楼主哪里搞来的啊？

long98194

看之后很受启发，可是没条件去做试验

lgs520yxx

现在我们公司用的电机就在用扁平线了 还OK的

jianeee

非常感谢。

5525

旧闻两则
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住友电工试制出用超导马达驱动的电动汽车

2008/06/16 09:14
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配备超导马达的试制车。外观虽极普通，参加北海道洞爷湖高峰会议的各位千万不要错过

                               
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超导马达
　　住友电气工业全球首次试制出了用超导马达驱动的电动汽车。将从2008年6月19日起在北海道札幌市举行的“北海道洞爷湖高峰会议纪念 环境综合展2008”上向公众公开。该公司已证实高温超导技术能够应用于电动汽车马达，向社会宣传高温超导技术。

　　住友电气工业2008年6月12日在新闻发布会上展示了配备超导马达的试制车（图1）。所配备的马达为爪极型DC马达，定子采用的是超导线圈，转子采用的是铜线。

　　该公司此次试制配备超导马达的电动汽车的理由是，在以线性马达车等铁路车辆为首，超导电缆及船舶用超导马达等逐步迈向实用化的情况下，让人们知道超导的应用其实离现实生活非常近。

　　由于是赶制可以试驾的汽车，此次试制的马达并不是AC马达，并且未将转子制成超导线圈。另外，定子的超导线圈中虽然可通100A以上的电流，但考虑到安全因素，目前最大只通到40A的电流。超导线圈采用的是该公司已上市的铋（Bi）类线材“DI-BSCCO”，总长240m，线材尺寸为宽4mm×厚0.2mm。

　　马达上部配备有容积4L的液态氮容器，通过这一容器来冷却定子，以产生超导状态。利用4L液态氮，可在超导状态下行驶2小时左右。超导线圈由热电偶和电流传感器监控，可以在温度上升破坏超导状态前，切断供电。

　　此次的原型车为丰田汽车的“Comfort”。在拆掉发动机后空出的部分设置了马达，并使其与手动变速器连接起来（图2）。马达的输出功率为31kW（3000rpm时），外形尺寸为直径约300mm×长400mm。电源由12个12V的铅蓄电池串联而成，电压提高到了144V。由于马达在转速很低的状态下也具有扭矩，因此试运行时，将手动变速器固定在了5档上（图3）。

首先配备于业务用车

　　住友电气工业表示，超导马达在船舶中正在接近实用化。预计在陆上运输领域也存在需求。希望今后将在混合动力车、插电式混合动力车及电动汽车等电动车辆中配备超导马达，以实现马达的小型化及低电压化。

　　关于超导马达的实用化，该公司表示在使用频率不高的乘用车进行配备还为时尚早，不过将力争10年内能够配备于大巴等业务用车。如果是业务用车的话，可以设想出这样的行驶模式：暂时不安装冷冻机，而是配备可供行驶一天所需的冷却用液态氮。

　　将来冷冻机改进后，小型冷冻机将达到能够配备于乘用车的尺寸，便利性也将得到提高。另外，如果能够与燃烧液态氢的燃料电池车配套使用，与使用液态氮相比，可以使超导马达冷却到更低温度，就能够通更大的电流。实际上，以现有的超导线圈而言，利用液态氮冷却，只能通200A左右的电流，而利用液态氢使其冷却至20K（－253℃），则可以通高达1000A的电流。这样，可以进一步减小马达尺寸，提高输出功率。（记者：狩集 浩志）

　　电动汽车马达使用的线圈，为减小电阻一般采用降低电流、提高电压的方法。但降低电流将难以实现大的扭矩。超导线圈由于没有电阻，能够以较少的转数和低电压通过大电流，从而产生较大的扭矩。此次的试制车以乘用车为原型，今后将进一步研究超导马达在大巴、卡车等大型车上的应用。

　　超导磁铁既可用于定子又可用于转子。从公开的照片上看不出连接转子的制冷剂配管的密封有何异常，估计应该是只有定子使用了超导线圈。（记者：浜田 基彦）

                               
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远古新闻两则，估计快产业化了，当年他们把希望方在液氢动力燃料电池上，希望液氢辅助冷却马达，
目前看，日本已经确立了压缩氢气方向，所以可能落空了，只能用液氮了
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日本开发成功液态氮驱动型超导马达

2005/01/25 09:06
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图1：此次开发的超导同步马达

                               
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图2：超导同步马达的结构示意图。使淡绿色标出的线圈形成超导状态后，通上直流电。中央部位蓝色标出的线圈为常导体，这一线圈施加交流电。最终计划将所有线圈均制成超导线圈

                               
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图3：在水中驱动配备超导马达的吊舱型推进装置

　　由日本石川岛播磨重工（IHI）等7家企业，与日本福井大学组成的一个产学联合研究小组，日前成功试制出了可利用由液态氮冷却的超导线圈驱动的同步马达。功率方面，额定值为12.5kW，超负荷时为62.5kW（均在转速为100rpm时）。据该研究小组称，利用液态氮冷却的kW级超导马达的开发成功在全球尚属首次。“马达首次运转是2004年12月22日16点47分。由于是全球首例同级别超导马达的运转时间，因此记得很清楚”（IHI技术开发本部 管理部 技术规划部 部长竹田 敏雄）。

　　假如使用超导线圈，就能利用小型线圈产生强大的磁通量。假如是功率5000kW的马达，就能将体积减小到老式马达的1/10。该研究小组将把这种马达用于船舶推进装置。实用化之际，将把功率500kW的马达作为一个单元，根据客户要求，通过单元串联生产高功率马达。用于渔船等排水量约500t的船舶、功率为5000kW的马达方面，力争一年后达到实用化水平。马达的制造成本取决于功率，大约是过去那些常导马达的2到3倍。

实现的关键是铋类线材与“磁通量收集器”

　　这次能够实现超导马达的原因主要有两点。一是住友电气工业2004年5月开发成功了可生产性很高的铋（Bi）类高温超导线材。这次的马达就使用了住友电气工业的线材。另一个原因是在线圈中心配置了一个名为“磁通量收集器（Flux Collector）”的金属芯。通过将线圈产生的磁通量集中到金属芯上，降低了与线圈交叉的磁通量。这样一来，即使在液态氮温度（66K）下施加大电流，也能稳定地维持超导状态。

　　此次试制的同步马达外形尺寸为直径0.6m，厚0.6m。使用这种马达试制成的吊舱型推进装置外形尺寸为直径0.8m，纵深2m。利用冷冻机，将液态氮永久保持在66K。这种冷冻机需要4.2kW电力。即便是实用化的、功率为500kW～5000kW的马达，冷冻机所需的电力也只有10kW。（记者：浅川 直辉）

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日本全球首次开发成功“全超导马达” 所有线圈均采用超导材料

2005/04/18 09:17
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图1：由IHI等组成的产学联合研究小组开发的全超导马达的结构示意图

                               
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图2：由该产学联合研究小组开发的功率12.5kW全超导马达

　　由日本石川岛播磨重工业（IHI）、住友电气工业、大阳日酸、中岛推进器（Nakashima Propeller）、新泻原动机、日立制作所、福井大学、富士电机系统组成的一个产学联合研究小组日前宣布，在全球首次成功地开发出励磁线圈（field coil）和电枢线圈（armature coil）等所有线圈均采用超导材料的“全超导马达”。过去的超导马达一般仅在定子一侧的励磁线圈中使用超导材料，而转子一侧的电枢线圈则不使用这种材料。其原因在于，假如在电枢线圈中使用超导材料，就必须采用向转子一侧供给制冷剂的结构，由此就会降低马达的可靠性及可维护性。这次由IHI等公司开发的全超导马达通过提出不需转动电枢线圈的运行方式，解决了这一课题。

　　该研究小组提出的方式就是指，不转动电枢，而是转动一个新增的转子。这种新增转子是一种圆板，由高磁通特性材料制成的感应器以放射状排列其中。通过相向配置转子和励磁圆板，转子上的感应器被励磁线圈磁化后，转子就会形成像是以放射状在其中嵌入磁铁的圆板一样的状态。在这种状态下，电枢线圈中产生的随时间而变化的磁场发生使用以后，就会使转子产生转动。

　　顺便提一下，这种全超导马达使用液态氮作制冷剂。氮气在1个大气压下的沸点约为-196℃。而由于氦气和氖气分别为-270和-250℃，因此可以说相对温度很高。所以使用液态氮更容易实现用于阻挡制冷剂热量的构造的单纯化和小型化。问题是制冷剂温度越高，超导材料的超导状态就越容易受到小磁通量的破坏。也就是说，使用超导材料的线圈在电流加大以后，受自身产生的磁通量的影响，其超导状态会遭到破坏。因此，就存在着不能施加大电流的问题。

　　为了解决这一问题，该产学联合研究小组在线圈的中心配置了高导磁材料。也就是说，通过将磁通量集中到高导磁材料，来减小线圈上的磁通量，由此即使施加大电流，也能避免超导材料的超导状态遭到破坏。该研究小组把该技术称之为“FLC（磁通量收集器）”。

　　此次开发的全超导马达的功率为12.5kW，转速为100rpm，外形尺寸为直径400×450mm。其效率据称“比目前在陆上使用的马达高出约10%”（产学联合研究小组）。该小组今后将用3个月的时间进行马达的实用化试验，计划在2005年8月以前开发出功率400kw的产品，可用于200吨级以下船舶的吊舱型推进器。并正式向业界供应。另外，还准备在2005年度内开发功率为500kW的改进型马达，主要是以同心圆方式配置2个轴，使之反向旋转。除船舶用途外，据称目前还在探讨是否可将其用于楼宇的空调系统和电梯等领域的可能性。（记者：富冈 恒宪）

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东海大学通过功率为100W左右的直流马达实现96％以上的效率

2009/04/07 00:00
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此次开发的高效率直流马达（点击放大）

                               
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对驱动电流的转换效率。工作电压为24V，电流为4A时的功耗为96W。3条曲线表示PWM占空比的不同。（点击放大）

装有高效率直流马达的东海大学赛用节能车“Faraday's Magic 2”（点击放大） 　　日本东海大学工程学系工程学专业教授木村英树领导的研究小组开发出了将电力转换为马达功率时效率可达到96％以上的DC（直流）无刷马达。在2009年3月30日～4月2日举行的“第56届应用物理学相关联合演讲会”（筑波大学）上做了公开发布。“其中用到的高效率手法也可应用于电动汽车的高输出功率马达上”（木村）。

　　此次开发的马达为“额定功率约100W”的直流马达，马达的磁芯采用铁类非晶态金属（参阅本站报道）。转换效率在100W功率附近高达96.5％。“包含误差因素时也可达到96％以上”（木村）。除了如此之高的效率之外，在50～200W之间改变功率时也可维持93～96％的转换率，这也是一大特点。

　　东海大学曾于2003年开发出了效率达到93％的直流马达。并与特殊电装、日本贵弥功等公司合作实现了产品化。

　　此次马达的高效率是通过找出导致能量损失的原因并对其中几个加以改善而实现的。马达的能量损失起因于：（1）控制电路的功耗（控制器损）、（2）线圈卷线导致的损失（铜损）、（3）磁芯中涡电流导致的损失（铁损）、（4）旋转轴的摩擦及空气阻力等导致的损失（机械损、风损）等。

　　此次的96％以上的高效率主要是通过改善（1)和（2）而达到的。为了减少（1）控制器损，微控制器采用了156mW低功耗产品。另外，逆变器也采用了仅由nMOSFET构成的产品。原因是“nMOSFET的导通电阻比pMOSFET小”（木村）。

　　（2）铜损通过优化卷线的粗细及圈数得以降低。铜损一般在流经马达的电流加大时变大，因此改善的好处明显。

　　（3）铁损通过马达磁芯材料采用铁类非晶态金属控制到了低水平。原因是“非晶态金属的电子迁移率小，涡电流少”（木村）。这一改善措施与2003年的马达相同。

　　此外木村还表示，在（4）风损方面，“经证实，只需为马达加上外罩，阻断空气进入，即可降低损失”。

难点在于制造成本较高

　　该马达的难点是：在效率非常高的同时，制造成本也很高。因此，目前仅限于比赛用节能车等不考虑价格而重视高效率的用途。采用2003年开发产品的节能车也曾在比赛中取得出色成绩。不过，“成本比效率为80％左右的普通马达高近20倍”（木村）。

　　成本高的原因在于磁芯使用的是铁类非晶态金属。“由铁类非晶态金属构成的磁芯通过向低温筒状物喷附金属使其迅速冷却制成，一次加工只能形成25μm的厚度。要确保所需厚度，必须反复进行多次相同的加工，从而导致成本升高“（木村）。

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富士电机系统开发出重3.5kg、手掌大小的超导冷冻机

2008/02/20 09:11
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一条边不足20cm的超低温冷冻机。左边的容器为活塞。与右边的冷却端最远距离50cm

冷却原理。膨胀时采用“气体活塞”。 　　富士电机系统开发出了重量降至该公司原产品1/2以下、仅3.5kg的小型轻量高温超导冷冻机。该产品已在2008年2月18日于横须贺科技园（YRP）举办的“扩大移动通信电波资源”研讨会和验证实验现场公开。该产品面向损耗小且滤波衰减特性非常陡峭（特性曲线斜率大）的超导滤波器开发。在该公司此前的产品中，最轻重量为7kg。

　　该公司在冷冻机中应用的冷却原理为“Sterling冷却”。采用的方法是利用可反复使氦气压缩膨胀的卡诺循环（Carnotcycle）来实现热交换。冷却温度最低可达到50K，能够达到比使用液氮时更低的温度。运行时的耗电量约为50W。

　　富士电机系统通过在气体膨胀时使用“气体活塞”来取代机械式活塞，提高了冷冻机的耐用性。另外，此次的小型冷冻机还可利用细管来区分配置压缩用活塞和冷却端，因此可以灵活改变冷冻机的形状。（记者：野泽 哲生）
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超导冷却器，用固定容量的液氦代替蒸发损失的液氮，效率更高。

grander

日本人的技术走的真远啊