東海大學通過功率為100W左右的直流馬達實現96％以上的效率

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東海大學通過功率為100W左右的直流馬達實現96％以上的效率
日本東海大學工程學系工程學專業教授木村英樹領導的研究小組開發出了將電力轉換為馬達功率時效率可達到96％以上的DC（直流）無刷馬達。在2009年3月30日～4月2日舉行的“第56屆應用物理學相關聯合演講會”（筑波大學）上做了公開發佈。“其中用到的高效率手法也可應用於電動汽車的高輸出功率馬達上”（木村）。

　　此次開發的馬達為“額定功率約100W”的直流馬達，馬達的磁芯採用鐵類非晶態金屬（參閱本站報導）。轉換效率在100W功率附近高達96.5％。“包含誤差因素時也可達到96％以上”（木村）。除了如此之高的效率之外，在50～200W之間改變功率時也可維持93～96％的轉換率，這也是一大特點。

　　東海大學曾于2003年開發出了效率達到93％的直流馬達。並與特殊電裝、日本貴彌功等公司合作實現了產品化。

　　此次馬達的高效率是通過找出導致能量損失的原因並對其中幾個加以改善而實現的。馬達的能量損失起因于：（1）控制電路的功耗（控制器損）、（2）線圈卷線導致的損失（銅損）、（3）磁芯中渦電流導致的損失（鐵損）、（4）旋轉軸的摩擦及空氣阻力等導致的損失（機械損、風損）等。

　　此次的96％以上的高效率主要是通過改善（1)和（2）而達到的。為了減少（1）控制器損，微控制器採用了156mW低功耗產品。另外，變頻器也採用了僅由nMOSFET構成的產品。原因是“nMOSFET的導通電阻比pMOSFET小”（木村）。

　　（2）銅損通過優化卷線的粗細及圈數得以降低。銅損一般在流經馬達的電流加大時變大，因此改善的好處明顯。

　　（3）鐵損通過馬達磁芯材料採用鐵類非晶態金屬控制到了低水準。原因是“非晶態金屬的電子遷移率小，渦電流少”（木村）。這一改善措施與2003年的馬達相同。

　　此外木村還表示，在（4）風損方面，“經證實，只需為馬達加上外罩，阻斷空氣進入，即可降低損失”。

難點在於製造成本較高

　　該馬達的難點是：在效率非常高的同時，製造成本也很高。因此，目前僅限于比賽用節能車等不考慮價格而重視高效率的用途。採用2003年開發產品的節能車也曾在比賽中取得出色成績。不過，“成本比效率為80％左右的普通馬達高近20倍”（木村）。

　　成本高的原因在於磁芯使用的是鐵類非晶態金屬。“由鐵類非晶態金屬構成的磁芯通過向低溫筒狀物噴附金屬使其迅速冷卻製成，一次加工只能形成25μm的厚度。要確保所需厚度，必須反覆進行多次相同的加工，從而導致成本升高“（木村）。

　　但是，鐵材料本身成本並不高，因此通過使製造製程實現自動化便可進行量產，這樣“便有望以僅為目前1/4～1/5的成本來製造”（木村）。

　　如果刨除成本較高這一點，該馬達可憑藉功率及轉速等優勢，應用於冰箱、汽車及電動摩托車等廣泛領域。高輸出功率“基本上可通過加大馬達來實現。功率提高後，效率也容易提高”.

此次開發的高效率直流馬達

對驅動電流的轉換效率。工作電壓為24V，電流為4A時的功耗為96W。3條曲線表示PWM佔空比的不同。

裝有高效率直流馬達的東海大學賽用節能車“Faraday's Magic 2”
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日立等試製出不使用稀土族磁鐵的馬達，效率提高5個百分點
　日立製作所和日立產機系統試製出了鐵芯使用非晶金屬的馬達。其特點是不使用含有釹（Nd）和鏑（Dy）等稀有金屬的磁鐵（稀土族磁鐵），能夠提高馬達效率（圖1、2）。在對試製的用於空調等的輸出功率為150W的馬達進行評測後顯示，與該公司使用稀土族磁鐵的原產品相比，效率從約81％提高到約86％，大約提高了5個百分點。使用非晶金屬的馬達設想用於像產業設備、家電和汽車等眾多領域。

　　目前，馬達的耗電量約佔全部耗電量的一半，要實現節能就必須提高馬達的效率（圖3）。因此，馬達使用具有高特性的稀土族磁鐵。而稀土族磁鐵通常使用Nd-Fe-B（釹-鐵-硼）類磁鐵（所謂的Nd類磁鐵）。為保持高溫狀態下的特性，在Nd類磁鐵中添加了Dy。

　　雖然使用稀土族磁鐵提高了馬達的效率，但存在作為原料的稀有金屬漲價的問題。“與以前價格暴漲時期相比，目前的價格還算穩定，不過仍然較高”（日立製作所）。例如，比較2004年和2008年9月每千克的價格，Nd上漲約3倍、為30美元，Dy上漲近5倍、為155美元（日立製作所）。價格居高不下的一個原因是擁有稀有金屬90％左右的中國從生產國向消費國轉變，這樣稀有金屬價格不斷上漲。因此日立公司等此間推進了研發不使用稀有金屬的馬達。
損耗較少

　　此次，不使用Nd類磁鐵而提高馬達效率的原因是非晶金屬本身的損耗較少，且開發出了新的馬達結構。

　　馬達結構方面，在鐵芯上纏繞線圈通電製成電磁鐵，並通過轉動作為轉子的永久磁鐵而產生馬達的旋轉力（圖4）。以前是使用電磁鋼板作鐵芯，Nd類磁鐵作轉子。此次試製的馬達由於使用非晶金屬作鐵芯，因此可以使用鐵氧體磁鐵作轉子。非晶金屬比電磁鋼板的透磁率高出約10倍，而且基於磁性材料的能源損失（鐵損）僅為1/10左右（圖5）。鐵芯透磁率越大，其結果是即使弱磁鐵也可產生較高的磁通密度。
改變鐵芯結構

　　與電磁鋼板相比，非晶金屬的最大問題是薄且硬，很難進行切割或切削等加工。採用電磁鋼板時，為了防止導致產生損耗的過電流，採用了層疊0.35～0.5mm薄的電磁鋼板製成鐵芯。而非晶金屬的厚度僅為25μm。硬度達到稱為維氏硬度（HV）的硬度指標的4倍以上。

　　因此，日立此次改變了鐵芯結構及其作制方法。運用在非晶變壓器開發中累積的技術，將多層薄非晶金屬捲起製成鐵芯。在使用非晶金屬的同時，還利用三維磁場分析優化了馬達結構。原來採用的是二維磁場分析。

　　今後，日立將首先面向產業設備，力爭3年內實現實用化。並考慮進一步提高可靠性並降低製造成本。為了擴大用途，還將提高馬達的輸出功率。“到那時也可以製造10kW級的馬達”（日立製作所）。

圖1　使用非晶金屬的鐵芯。左側為在鐵芯上纏繞線圈。

圖2　試製的馬達的結構。上下配置有2個鐵氧體磁鐵的轉子。


圖3　研發背景

圖4　馬達的工作原理。圖為馬達鐵芯的兩極。

圖5　電磁鋼板和非晶金屬的比蕢。

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电动机类型        交流
电动机型号        TYC-168-260-8-C
电动机额定功率(kW)        40
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动力电池型号        SPIM23300260
电池母线电压        320~420VDC
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型号        档位        1        2        3        4        5        倒档
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2830.5        速比        14.994        1 2.598        1 1.522        1:1.000        1 0.778        1 4.506

车型        NJ5056XFWD
变速器型号        2826.5        2830.5
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空调及电暖风        380V
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加速性能
车型        NJ5056XFWD
变速器型号        2826.5        2830.5
后桥速比        3.917        4.889
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最高车速
车型        NJ5056XFWD
变速器型号        2826.5        2830.5
后桥速比        3.917        4.889
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车型        NJ5056XFWD
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