【电动汽车拆解】马达（九）：不使用电磁钢板的马达铁芯
2010/03/17 00:00
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日立制作所为了提高马达效率，研制了定子铁芯使用非晶态金属来替换电磁钢板的试制品。非晶态金属芯的导磁率较高，可降低铁损，因此配合使用的磁铁可以不使用昂贵的钕磁铁，而使用便宜的铁氧体磁铁。马达的效率提高到了93％。
![]() | | 表1 将马达铁芯换成新材料以往马达的铁芯使用电磁钢板，而此次考虑换成新材料。使用了与电磁钢板相比导磁率高、铁损低的非晶态金属（非晶铁）。 | ![]() | | 图1：日本国内不同用途的耗电量马达耗电量占5成。在环保等节能要求不断加强的情况下，需要提高马达的效率。 |
日立制作所以提高马达效率为目的，开发出了新型马达铁芯材料。定子使用非晶态金属（非晶铁）而非通常的电磁钢板（结晶金属）（表1）。马达铁芯使用非晶态金属，这在业界还是首次。
日立的关联公司在输电变压器的铁芯上采用了非晶态金属。日立产机系统使用日立金属制造的非晶态金属铁芯制造了变压器。今后日立集团将从产业用马达入手，并考虑在车载马达上采用非晶态金属。
非晶态金属除了导磁率比电磁钢板高之外，还具有铁损低的特点。向非晶态金属施加磁场时，此前在内部为杂乱方向的磁通量的方向就会统一朝向某个方向，从而使导磁率得到提高。
原来的电磁钢板为结晶构造，即使施加磁场，磁通量也不会像非晶态金属那样统一为一个方向，所以导磁率较低。需要输出一定的转矩及功率时，导磁率越低就需要越多的电流，而导磁率高的话只需少量电流即可。
非晶态金属的铁损低是因为铁芯的厚度较薄。非晶态金属是把厚度0.025mm的薄片切割成事先定好的宽度加工而成。由于厚度较薄，因此产生的涡电流的路径较短。结合高导磁率这一优势，非晶态金属原本就流经的电流较少，再加上厚度较薄，可更好地抑制涡电流的产生。涡电流是由流经线圈的电流所决定的。
![]() | | 图2：与以往电磁钢板相比的性能（a）非晶态金属与电磁钢板相比，磁通量从低磁场区域开始上升，上升曲线平缓。由于磁通量关系到输出功率及扭矩，因此可使车辆的舒适性等得到提高。但非晶态金属由于饱和磁化值较低，因此磁通量密度的上升空间有限。（b）铁损可降至电磁钢板的10％。 |
利用非晶态金属所具备的高导磁率和低铁损这两大特性，便可使马达效率超过原来的水平。
日立之所以要致力于提高马达效率，其原因之一是日本国内消耗的电力中马达所占的比例较高（图1）。
日本经济产业省资源厅2004年的调查显示，在日本国内的电力消费量中，马达的比例达到51％，远远高出第二位照明的17％和第三位加热器的13％。如果能够提高马达的效率，便可降低整体的电力消费量。还可满足全球性节能要求。
随着汽车向电动化发展，今后采用马达的部位趋于增多，比如电动油泵、电动助力方向盘、电动空调压缩机及电动制动器等。使用此次的技术，便可使用比原来更小的马达，降低马达的成本。
在电动车（EV）及混合动力车（HEV）领域，希望提高驱动马达效率的需求较大。如果是高效率的马达，便可降低耗电，小容量充电电池便可确保持续行驶距离。电池成本目前普遍在10万日元/kWh左右，公认占到车辆成本的一半。通过对马达进行改进，便可减少电池配备量，将车辆价格降至比现在更低的水平。
提高马达效率的另一原因在于，马达磁铁所使用的钕（Nd）等稀有金属的价格不断上涨。通过提高马达的效率，可实现不依赖于稀有金属，而以铁氧体磁铁等代替的马达。为此，马达厂商及汽车厂商都在大力开发不依赖于稀有金属的产品。
![]() | | 图3：结合轴向型马达进行开发非晶态金属从其加工性考虑，适于在轴向型马达上使用。以往使用电磁钢板的马达铁芯被广泛用于径向型马达的构造。 |
充分发挥非晶态金属的特点
此次开发的使用非晶态金属的马达，其设想的第一目标并非用于EV/HEV的驱动马达，而是电动泵等数100W级的辅助马达。
![]() | | 表2 马达构造的比较以往的径向型马达与此次的轴向型马达的构造比较。铁芯形状、线圈卷绕方法及磁铁种类等不同。 |
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