当下，由于HEV、EV等电动汽车的发展，引发了新一轮的电机革新。电机结构、磁性材料的改善，新的控制方法的引入等，使得电机朝着高效率、小型化、低成本的方向快速发展。

低速和高速运转下所需的磁通量相反

一般的电动汽车驱动电机都是采用在转子内埋入永久磁铁的永磁同步电机（IPMSM：Interior Permanent Magnet SynchronousMotor）。永磁同步电机具有高效率，适合小型化的特点。对于永磁体，一般使用Nd-Fe-B（钕-铁-硼）磁体，即所谓的钕磁体。此外，还添加了Dy（镝）以便即使在高温下也不会消磁。

IPMSM的电气损耗主要有两种类型：由绕组（线圈）引起的铜损和由磁性材料的铁芯（磁芯）引起的铁损（磁滞损耗和涡流损耗）。其中低转速区域铜损占很大比例。

由于铜损几乎与磁通密度的平方成反比，所以如果要降低铜损，实现高效率，就需要高磁通密度（图1）。另外，当在斜坡上起动等低速需要大转矩时，转矩与磁通密度成正比，因此也需要高磁通密度。

图1旨在通过改变磁通量在广泛区域实现高效运行

为了使汽车驱动电机更高效率运作，在城市街道低速低转矩行驶场景下需要高磁通密度，而在高速公路高速行驶场景下则要求低磁通密度。因此，根据不同行驶场景改变磁通量的可变磁通电机的研究开发近年来蓬勃发展。（图：根据名古屋工业大学数据创建）

另一方面，在高转速区域磁通密度则是越低越好。磁通密度越低，铁损越低。在高速区域中，铁损占比高，铁损基本与磁通密度的平方成正比。

另外，由永磁体的磁通量产生的反电动势（电压）会随着转速增加而增加。当该反电动势达到电机的施加电压以上时，电机中电流就无法再通过，转速即不能再上升。因此，为了提高最高速度，反而需要降低磁通密度以抑制反电动势。也就是说，在低速区域和高速区域要求的磁通量密度是不同的。因此，在低速区域和高速区域同时实现高效率难度很大。

因此，目前的电动汽车驱动电机都会在低速和高速之间的中速区域，设置一个可以以最高效率驱动的“额定值（限制性操作区域）”，尽可能的在更广泛的运转区域内实现高效驱动。但是，无论哪种情况，实际效率都会低于额定值。

另外，由于在高速区域中执行的被称为“弱磁化”的控制，高速区域中的效率更容易降低。如上所述，如果反转电压随着转速增加而变得太大后，转速就无法再增加。因此，通过弱磁控制，产生与永磁体磁通量相反方向的磁通，从而减小反电动势，提高转速。但是，为了产生相反方向的磁通量，必须使电流流过定子绕组，这同样会增加损耗使得效率再次降低。

改变磁通量，实现更宽范围内的高效率

可变磁通电机的实现方法粗略来看可以分成两类，一类是利用功率转换器精细控制流过线圈的电流的“主动”方式，另一类是通过设计电机结构来改变磁通密度的“被动”方法。

在前者中，磁通密度可变范围很宽，因此可以实现在更宽泛的运转区域中提高效率。但是，它需要额外增加功率转换器（转换器，逆变器等）和新的控制方法，这会导致成本增加。

而后者则几乎不需要增加额外的零件或改变控制方法，所以在成本方面比前者更有利。但是，磁通量密度的可变范围相较于主动类型会变窄。因此实际使用的场合，根据所搭载的车辆的规格要求，或是大众车型与豪华车型等车型价格级别的不同，会分别采用不同的方式。

永磁体配置在定子上的主动式可变磁通电机

采用主动式的可变磁通电机中，名古屋工业大学研究生院电子机械工程学教授小坂卓先生的研究团队研发的“HEFSM（混合励磁磁通开关电机”还具备在高速旋转时容易冷却的特征（图2）。

图2：配置在定子侧的永磁体

小坂先生团队致力于研发的可变磁通电机“HEFSM”中，将一般搭载在转子上的永磁体改成了搭载在定子上。在高速旋转时，通过使电流不流经励磁绕组，使得永磁体磁通量的大部分都短路在定子内，从而降低了铁损。而在低速旋转时，通过将电流提供给励磁绕组，励磁绕组产生的磁通量与永磁体产生的磁通量叠加，磁通密度增加，使得转矩容易扩大。此外永磁体是布置在励磁绕组的内侧（靠近转子）还是外侧，会出现长短的区别。（图：根据名古屋工业大学的数据创建）

在高速旋转时，永磁体和所有绕组都在定子而不是在转子中，所以转子仅由积层的电磁钢板组成，同时也不需要增加钢板的机械强度来防止旋转时产生的离心力使得磁铁飞出，这简化了转子的结构。此外，由于永磁体和绕组位于不移动的定子上，所以冷却也变得更容易。

在HEFSM中，与普通IPMSM一样，利用逆变器使三相交流电流通过电枢绕组产生旋转磁场，转子转动。通过控制流过定子励磁绕组的直流电流来控制可变磁通量。虽然需要增加控制直流的DC-DC转换器，但是实现了提高效率。

例如在高速旋转时，电流不流过励磁绕组，则永磁体的磁通量大多数短路在定子内，磁通密度减小所以能降低铁损。而在低速旋转时，直流电流流经励磁绕组，从绕组产生的磁通量和永磁体的磁通量重叠，磁通密度增大。结果可以减少铜损，并且可以增加扭矩。

小坂先生的团队试制作了HEFSM的模型，尝试了将永磁铁配置在励磁绕组的内侧（转子更近）以及外侧两种形式，然后分别对两种HEFSM电机进行性能评估，结果各有优劣。内侧的布置更容易增加扭矩，但是难以提高输出功率与效率。而外侧的布置更容易增加输出功率，但是难以增加转矩。

因此，最终采用了将永磁铁设置在内侧和外侧之间并由两侧的励磁绕组夹持的结构。由此发挥了外侧配置与内测配置两方的优势，最终同时实现了大扭矩与大输出功率（图3）。

图3：通过合适的位置实现了大扭矩与高功率兼得。

（a）小坂先生的团队取内外侧两种模型长处最终试制的可变磁通HEFSM电机。（b）具体结构是将永久磁铁配置在内侧与外侧之间，从两侧用励磁绕组夹持永久磁铁。（c）结果，兼得高扭矩和高输出。（d）最初的试制品低于设计阶段的预测值，但是通过改进，最终实现了比预估计值更高的效率。（图：根据名古屋工业大学的数据创建）

但是，在效率方面，传统样机的效率低于设计阶段的预测值。因此，通过增加线圈的空间系数，以及将定子的电磁钢板变薄使得效率得到改善。虽然目前还处于测量过程中，但在部分动作区域已经实现超过预测值的效率。

采用被动式的“泄漏式”可变磁通电机

采用被动式的可变磁通电机相关研究，则主要集中在通过改变转子的结构和永磁体的形状，或者通过利用转子旋转时产生的磁通的空间谐波分量来实现可变磁通量。

例如，日产汽车正在开发的采用了“漏磁式可变磁通（VLF）”方式的嵌入式永磁（IPM）电机（图5）。在该电动机中，设置了“磁通旁路路径”，通过嵌入在转子中的永磁体产生的磁通，使之与相邻的永磁体短路。通过成功地将该路径的形状与磁通屏障（屏蔽磁通的部分）相结合，在低负载高转速区域内使得磁通在转子内短路，磁场减弱时流经电流减小。由于可以抑制磁体的磁通量，所以可以减少铁损。因此，提高高转速区域的效率很容易。且在高负载下，可以利用电磁转矩（图4（b））

图4 通过设置“磁通旁路路径”以实现可变磁通量。

通过设计磁通屏障的形状，在高负载时，由定子的磁动势短路使得磁通被抑制，磁链增加。由此增加磁体扭矩（图：根据日产汽车的数据创建）

像上面这种通过磁通短路的特点，以及将磁铁的形状变成圆弧形的方式，与一般采用矩形永久磁铁的情况相比，磁通密度的分布更加接近正弦波形（图5）。而磁通密度的分布越是接近正弦波，空间高次谐波分量就越减小，从而可以降低铁损。

图5减少谐波分量以提高高转速范围的效率

在漏磁式可变磁通方法中，采用弧形磁铁，比使用矩形磁体的情况下，磁通密度的分布更接近正弦波。与在传统IPMSM中使用圆弧磁体的情况相比，也更接近正弦波。由于磁通密度的分布越接近正弦波，高次谐波分量就越少，从而降低铁损。所以可以提高高速区域的效率。（图：根据日产汽车的数据创建）

活用谐波分量的被动式可变磁通电机

静冈大学综合科学技术研究科工学专业教授野口敏彦先生的研究室与铃木集团研究的被动式可变磁通电机则不同于VLF电机，主要是通过积极活用谐波分量来实现磁通的变化。

通过位于电机垂直轴上下方向的转子（轴向间隙型转子）的感应线圈与二极管，将转子旋转过程中产生磁通的空间高次谐波分量作为能量回收，然后传递给励磁线圈产生磁通，从而改变当前的磁通密度（图6）。由于谐波分量随着转数的增加而增加，朝向感应线圈的磁通量也能增加。因此磁通密度随着旋转速度的增加而减小。

图6回收磁通的谐波分量以改变磁通密度

静冈大学和铃木研究小组试制了一种电机，它利用转子旋转时产生的磁通量的空间谐波分量来改变磁通量（a）。它通过上下转子（轴向间隙型转子）内的感应线圈与二极管，回收空间谐波分量作为能量（功率），使之流过励磁线圈从而改变磁通密度。由于谐波分量随着转数的增加而增加，所以朝向感应线圈的磁通量增加并且磁通密度减小（b）。然而，由于该试制模型结构复杂，因此使用相同机构原理制作了一个更简化的电机（c）。是一个轴向间隙式电机（d）。（图：根据静冈大学和铃木团体资料制作）

除了轴向间隙型转子外，它还具有产生驱动力（转矩）的径向间隙型（绕轴）转子。也就是说，试制的模型电机中，在普通的径向间隙型电机中追加了轴向间隙型转子。两个转子同步旋转，使得由径向间隙型转子产生的磁通的空间谐波被轴向间隙型转子中的感应线圈可靠地收集。

然而，这种结构复杂，只有轴向方向的端部被消磁，所以无法使磁通量产生很大的变化。鉴于此，研究团队采用扁平轴向间隙式电机结构，尽可能宽广范围内去磁，同时简化结构。

本文是日经Automotive技术期刊2018年4月号刊登的关于电动汽车电机研发主流方向的专题报告，由NE研究院编译完成。后续将会继续介绍在提高效率，以及小型轻量化、降低成本方向出现的新型电机，如想及时获得相关内容，欢迎关注我们。