【电动汽车拆解】马达（九）：不使用电磁钢板的马达铁芯

中心议题：
    * 不使用电磁钢板的马达铁芯
解决方案：
    * 用于轴向间隙式马达
    * 马达效率达到93％

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。

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。

非晶态金属的优点在于，与电磁钢板相比导磁率高，铁损只有1/10（理论值）（图2）。由于导磁率高，因此在提高磁场强度时，磁通密度就会增加。并且上升转折点流畅。这意味着线圈中流过少量电流时，就会有功率及转矩产生。由于能够细致地控制马达的运动，因此可提高车辆舒适性。

图4：试制马达的构成部件（a）铁芯的制造方法。卷绕非晶态金属。（b）铁芯体。（c）在铁芯周围卷绕线圈。（d）通过配置多个铁芯形成定子部分。（e）安装铁氧体磁铁。（f）试制马达的外观。

而另一方面，由于电磁钢板的导磁率低，所以不施加较大磁场的话，磁通量就不会上升。由于磁通量上升曲线陡峭，因此要产生流畅的功率及转矩，还是非晶态金属更胜一筹。

非晶态金属比电磁钢板硬5倍左右，很难进行冲压及切削等加工。在材料成本上，非晶态金属与电磁钢板相同。虽然此前也知道使用非晶态金属可提高马达效率，但最大的问题是加工效率太低，不能用于马达。

用于轴向间隙式马达

日立制作所断定，将非晶态金属用作定子铁芯时，适合的马达构造并非原来的径向游隙型，而是轴向游隙型（图3）。如果是轴向游隙型马达，定子马达铁芯的形状就会十分简单，不存在制约非晶态金属的加工性问题。

该公司试制的轴向游隙型马达采用由两片转子平行夹着定子的构造。其工作原理是：在线圈中流过电流，由此在各定子铁芯的轴方向上产生磁场，这时由粘贴在转子上的铁氧体磁铁和定子铁芯产生电磁感应，从而使转子旋转。

定子铁芯采用只将非晶态金属薄板卷起的简单构造。与径向游隙型相比，除了线圈缠绕更轻松之外，线圈缠绕面还较为平坦，可提高占积率（表2）。由于铁芯可缠绕制作，因此与电磁钢板不同，无需通过冲压进行冲孔加工，材料成品率与原来的40～50％相比，可提高至接近100％。

由于使用的是非晶态金属，因此铁芯的导磁率高，铁损低。磁铁可以使用廉价的铁氧体而非钕类等稀有金属。不过，非晶态金属存在饱和磁化值比电磁钢板低的制约，不适于驱动马达等数10kW的高功率产品。主要可用于电动油泵等数100W型的马达。

图5：铁芯涡电流的抑制对策（a）由铁芯中涡电流导致的铁损的比较。通过在铁芯上加入切口来抑制涡电流。（b）铁芯的照片（加入切口前后）

原来的径向游隙型马达将定子配置在圆状转子的周围。而且，在定子上卷绕线圈时线圈就会向马达外侧凸出，使马达的外周尺寸变大。

图6：试制马达的性能与原来使用钕类磁铁的马达相比，试制马达虽然采用的是铁氧体磁铁，但效率却提高了约5％。目前整个效率已提高至93％。

此次试制的轴向游隙型马达由定子铁芯、定子上巻绕的线圈及转子等构成（图4）。为了提高铁芯的占积率，非晶态金属是以填满空隙的方式卷绕的。作为涡电流对策，在卷绕非晶态金属形成铁芯后进行了浸入树脂处理，使金属层之间不易发生涡电流。另外，为了对定子进行固定，还在马达外壳内对定子铁芯进行了树脂浇注处理。

仅是以上做法涡电流对策仍不充分（图5），还会沿着缠绕非晶态金属的方向生产涡电流。作为对策，通过电火花加工对部分铁芯进行切割，加入了切口。从而大幅降低了马达在无负荷条件下由非晶态金属定子铁芯的过电流导致的铁损。

马达效率达到93％

马达额定输出功率约为150W时，以往马达的效率为80％左右，而此次试制马达最初就提高到了85％左右（图6）。通过改进马达铁芯的形状，试制马达的效率最近又进一步提高，成功达到了93％。

此次试制的马达，尺寸为直径100mm×高60mm。采用磁铁8极、铁芯12个的构造。额定转速为3000转/分，额定转矩为0.64N·m。

今后日立还将继续改进马达的材料和构造，推进有助于马达小型高效化的技术开发。