电动汽车新方向：无需稀土的铁氧体磁铁三维马达

导言：生产电动汽车的电池要用到多种稀土金属。在17种稀土元素中，有许多是电动汽车所使用的高强度磁铁的重要成分，稀土已“扼住”世界新能源汽车的咽喉！在“摆脱依赖中国”、“摆脱稀土”的呼声中，众厂商积极研发不使用稀土的新一代汽车马达。本文隆重推出新能源汽车新方向——无需稀土的铁氧体磁铁三维马达！

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在“摆脱依赖中国”、“摆脱稀土”的呼声中，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）从2007年度起，以五年计划开始实施“新一代汽车高性能蓄电系统技术开发事业”，作为其中一环，在积极推进不使用稀土的新一代汽车马达的研发。目前正在推进的有7个项目，其中之一就是北海道大学副教授竹本真绍正在研发的“使用铁氧体磁铁的三维马达”。

“没想到会这么辛苦。不过，终于使用磁力仅为钕磁铁10分之1的铁氧体磁铁，成功开发出了具备同等输出功率的马达”，北海道大学副教授竹本真绍这样说道。

竹本副教授正在努力研发的是“使用铁氧体磁铁的三维马达”，这种马达不使用稀土（稀土类元素），可用于电动汽车（EV）和混合动力车（HEV）。

NEDO从2007年度开始，以五年计划实施“新一代汽车用高性能蓄电系统技术开发事业”。作为其中一环，正在推进不使用稀土的新一代汽车马达的研发。目前正在开展7个项目，其中之一就是竹本真绍副教授正在研发的“使用铁氧体磁铁的三维马达”。

稀土产量中国占97％

作为混合动力车及电动汽车重要构成要素的马达，目前使用的是含有稀土“钕”和“镝”的钕磁铁。因为其输出功率高，且能源转换效率也高。

钕磁铁是1982年由日本人发明的永久磁铁，在众多磁铁中磁力最强。因此，现在被用于空调、冰箱及个人电脑等许多电气产品中。也是新一代汽车的关键元件之一。

不过，现在稀土产量中国占97％。稀土价格从2004年底左右开始上升，而进入2010年之后，随着中国政府做出出口配额较上年削减40％等决定，价格上涨加速。在这种情况下，不使用稀土、具备同等输出功率及能源转换效率的新一代汽车马达的开发变得愈发重要。NEDO的各个项目也在加速研发。

“从大量生产的角度出发，如果不能使用钕磁铁，就只能使用铁氧体磁铁。”

各项目以各种各样方法开发不使用稀土的马达，竹本副教授选择的道路是“使用铁氧体磁铁代替钕磁铁”。

差距相当于豪华汽车和轻型汽车

铁氧体磁铁的原料是氧化铁。即使在稀土资源匮乏的日本，也无需担心受到中国资源战略的影响。价格也仅为钕磁铁的10分之1左右。但同时，磁力也仅为钕磁铁的约10分之1，这是它的弱点。

现在铁氧体磁铁主要用于吸附用途及小型马达。儿童经常玩的条形磁铁也是铁氧体磁铁。虽然肯定是常见的磁铁之一，但在磁力方面与钕磁铁相比，其差距就相当于豪华汽车和轻型汽车。

那么，到底能否使用铁氧体磁铁代替钕磁铁，发挥出同等性能呢？

不过，竹本副教授从项目开始之初，就有着隐约的自信。“如果稍稍改进马达的结构，或许就能发挥出可与钕磁铁匹敌的性能。”一直专注于马达研发的竹本副教授可谓是马达领域的专业人士。与企业进行共同开发的经验也非常丰富。

此前，竹本副教授一直致力于大量使用钕磁铁，开发高性能马达。企业间的开发竞争也非常激烈。因此，之前从未想过使用铁氧体磁铁开发马达等。

利用两种扭矩

 一般情况下，马达是利用借助磁铁所产生的“磁阻转矩（reluctance torque）”和“磁力矩”这两种扭矩进行旋转。

磁阻转矩简单地说就是利用磁铁吸引铁等的力，而磁力矩则是利用了N极和S极相互排斥或吸引的力。主要就是利用磁铁的吸引力和磁极的相吸相斥力这两种作用力，使马达旋转。

不过，通常情况下，使用磁力较强的钕磁铁的马达磁力矩较高，因此几乎不利用磁阻转矩，约8成依赖磁力矩。因为这种方式马达结构简单，可降低制造成本。

“不过，如果使用铁氧体磁铁，大概就需要将磁阻转矩的比例提高到5成”，竹本副教授是这样考虑的。而且，可提高磁阻转矩的新材料也开始投入实用，因此他估计，如果利用这种新材料，或许便可设法弥补铁氧体磁铁磁力较弱的缺点，实现与钕磁铁马达相同的输出功率。

于是，竹本副教授首先使用计算机对铁氧体磁铁进行了分析，以了解其磁特性。然而得出的结果令竹本副教授愕然。

“这样根本无法用于马达……”

面临磁感线这个棘手的问题

原来，分析结果显示，如果把铁氧体磁铁用于会流经大电流的汽车马达上，马达线圈所产生的强大磁感线可能会导致磁铁原先拥有的磁力瞬间消失。

实际上，由于钕磁铁比较易于流通电力，如果暴露于线圈所产生的磁感线中，便会发热、性能下降。因此，使用钕磁铁的马达采用了钕磁铁嵌入式结构，以便使钕磁铁不会直接暴露于线圈磁感线中。

这使得竹本副教授非常苦恼。磁力较弱的铁氧体磁铁如果暴露于线圈所产生的磁感线中，岂不是马上就没用了。不过，如果像钕磁铁一样采用嵌入式结构，磁力矩则会变得更低。

但当时，研发工作已作为NEDO项目之一启动，无法回头。

竹本副教授决定对铁氧体磁铁的磁特性进一步进行彻底调查。在进行了1年的调查之后，竹本副教授有了重大发现。那就是，“铁氧体磁铁与钕磁铁不同，难以流通电力，因此不易受到线圈所产生的磁感线的影响”。

竹本副教授豁然开朗，“如果铁氧体磁铁不易受到线圈磁感线的影响，便可用于流通大电流的马达。而且，如果能充分利用这一特性，反而可同时提高磁阻转矩和磁力矩”。

尽管会降低扭矩，但钕磁铁依然采用嵌入式结构，是为了使钕磁铁不受到线圈所产生的磁感线的影响。不过，铁氧体磁铁由于不易受线圈所产生的磁感线的影响，因此无需采用嵌入式结构。而且，如果将其设置于表面，还可用做线圈磁感线的“屏障”。

竹本副教授回顾道：“从个人角度来说，这个发现是该项目的最大成果。”结果是转子采用了铁氧体磁铁设置于表面，与铁芯交替配置的结构。

竹本副教授开发的使用铁氧体磁铁的马达转子。交替配置了铁氧体磁铁和铁芯。
                         

一举两得的创意


一举两得的创意

首先，在转子两侧设置缠绕线圈的定子。并交替设置铁氧体磁铁和铁芯，在磁铁部分由磁力矩发挥作用，铁芯部分则是磁阻转矩发挥作用。

定子线圈所产生的磁感线从N极出发，“全部”通过铁芯部分进入S极，避开了铁氧体磁铁。这时，由于铁氧体磁铁成为屏障，因此吸引铁芯的力增大，磁阻转矩大幅上升。
 
                         
定子线圈所产生的磁感线通过铁芯部分。如箭头所示，避开铁氧体磁铁绕道通过，不过为了实现最短距离，转子会被吸引到左侧，磁阻转矩会上升。

在原先使用钕磁铁的马达中，线圈所产生的部分磁感线会贯穿钕磁铁。因此导致钕磁铁性能下降，磁阻转矩的效率也降低。

但如果采用竹本副教授考虑的结构，线圈产生的磁感线则会通过铁芯部分。因此不会降低铁氧体磁铁的性能，可提高磁阻转矩。由于铁氧体磁铁设置于表面，因此还可最大限度地利用磁力矩。这是个一举两得的创意。

在提高磁阻转矩方面，竹本副教授所做的另一个改进是采用“三维马达”。三维是指，铁芯可应对来自三维空间任何方向的线圈磁感线。

因此，铁芯部分采用的是被称为“压粉铁芯”的新材料。压粉铁芯是将磁力较强的磁性体制成粉之后再压缩而成的铁芯，不久前刚开始投入实用。

原来的铁芯是由几枚硅钢板叠加制成的。因此仅能应对二维方向的磁感线。但如果采用压粉铁芯，由于能够通过三维方向的磁感线，因此可提高磁阻转矩和能源转换效率。

实现钕磁铁约75％的性能

实现钕磁铁约75％的性能
就这样经过3年的不断摸索之后，竹本副教授开发出了拥有像下放照片一样结构的马达。缠绕有线圈的两个定子从两侧夹着作为旋转部分的转子，使之间产生扭矩。毋庸置疑，其独特之处就在于转子采用铁氧体磁铁和铁芯交替配置的结构，和使用压粉铁芯。

                             
通过将钕磁铁换成铁氧体磁铁，磁力矩减少到了原先的几分之一。不过，通过可应对三维磁感线，采用交替配置铁氧体磁铁和压粉铁芯的结构，磁阻转矩按照最初的目标，提高到了5成。

2010年夏季，实现了与原有使用钕磁铁的马达相同的50千瓦的输出功率。另一方面，扭矩与原来使用钕磁铁的马达相比，可实现约75％的性能。

竹本副教授雄心勃勃地表示：“希望通过进一步优化马达形状，使2号马达提高到80～85％。”

这种使用铁氧体磁铁的三维马达要配备于新一代汽车上，似乎还是非常遥远的事。不过，证明了之前从未探讨过的铁氧体磁铁能够用于新一代汽车的马达，从这一点来看，竹本副教授的挑战可说是意义深远。