目前，電動汽車以及混合動力車的驅動馬達必不可少地要采用高本錢的稀土材料。東京理科大學著眼于SR馬達，開發出了用于混合動力車的驅動馬達。實現了與豐田上一代“普銳斯〞馬達同等尺寸、輸出功率、扭矩及效率。另外還通過充分利用分析軟件，改良了磁芯材料以及馬達構造

東京理科大學試制出了用于混合動力車用的驅動馬達〔圖1〕。其特點是采用了完全不使用磁鐵的SR〔開關磁阻〕馬達構造。這說明，即使不采用釹類磁鐵等本錢較高的稀土類材料，也能制造出驅動馬達。

由于稀土類材料不僅受到產國以及產量的限制，而且容易成為投機的對象，因此，市場價格隨著時間的不同，有時會出現2～3倍的變動。如果此次試制的驅動馬達能實用化，那么，汽車廠商就能比以前更大程度地降低混合動力車的價格，并且能夠面向未來制定穩定的量產方案。圖1：此次試制的驅動馬達

〔a〕外觀。驅動馬達沒有采用普通的IPM〔內嵌式永磁同時〕馬達構造，而是采用了SR〔開關磁阻〕馬達的構造。實現了與上一代“普銳斯〞IPM馬達同等的性能指標。〔b〕馬達內部的磁芯構造。定子為18極，轉子為12極。通過增加極數，提高了扭矩。定子上帶有線圈。豐田“普銳斯〞以及本田“Insight〞等代表性混合動力車的驅動馬達，是在轉子中嵌入釹類磁鐵而成的IPM〔內嵌式永磁同時〕馬達。IPM馬達由于既可利用磁鐵扭矩、又可利用磁阻〔Reluctance〕扭矩，因此，效率及性能較高。然而，由于制造起來仍然依賴釹類磁鐵，所以希望有新的解決方案。另一方面，SR馬達雖然具有不使用磁鐵的特點，但由于不能利用磁鐵扭矩，只能利用磁阻扭矩，因而存在著效率及扭矩較低的問題。因此，要想實現混合動力車所需要的效率及扭矩，那么必需加大馬達的尺寸，所以采用SR馬達被認為不是現實可行的方法。

此次設計的SR馬達通過在馬達的材料及構造上下工夫，在與豐田上一代普銳斯〔2023年推出〕的IPM馬達同等尺寸的條件下，確保了效率、扭矩以及輸出功率〔表1〕。具體而言，在1200rpm條件下，實現了50kW〔上一代普銳斯為50kW〕的輸出功率、403N·m〔上一代普銳斯為400N·m〕的扭矩以及86％〔上一代普銳斯為83％〕的效率。今后，將對所試制馬達的性能是否到達了設計值進行驗證。

借助磁阻差旋轉

SR馬達利用轉子與定子間產生的磁阻差，使轉子產生旋轉。在兩者的磁阻由高變低的作用下，定子不停地吸引轉子。

在轉子與定子的凸極重合的地方，轉子與定子的間隙〔距離〕變小，磁阻也變小。

相反，在間隙較大的地方，磁阻也變大。系統找出轉子與定子之間磁阻減少的組合，并向對象定子的線圈中通入電流，由此使轉子產生旋轉。轉子與定子的磁極重合時以及不重合時的電感〔磁力〕差越大，扭矩也越大。

在構造及材料上下工夫此次試制的SR馬達是通過馬達磁場分析軟件設計的。通過分析軟件，選擇了馬達磁芯的材料以及馬達的構造。

上一代普銳斯的IPM馬達的積厚〔磁芯的軸向厚度〕為83.6mm，如果將71.4mm的線圈尾端長度〔線圈突出于磁芯軸向長度之外的長度〕包含在內，那么約為156mm。由于線圈為分布卷繞方式，因而線圈尾端較長，磁芯的積厚不能做得太大。

而SR馬達由于采用了集中卷繞方式，因此，可減短線圈尾端，相應地增大了馬達磁芯的積厚。開發SR馬達時，就把與上一代普銳斯的IPM馬達相同的大小的扭矩作為了開發目標。

磁芯材料方面，為板厚為0.35mm的硅鋼板，與普銳斯等車型上通用的“35A300〞〔JIS標準〕與JFE鋼鐵的“10JNEX900〞〔厚度為0.10mm〕進行了比照。10JNEX900含有6.5％的硅。

隨著頻率增高，通用件35A300的鐵損增幅變得比10JNEX900更大〔圖2〕。此處的頻率與轉子的極數成比例。另外，如果增加轉子的極數，那么扭矩增大。也就是說，較大的扭矩可通過增加極數來得到〔表2〕。通過分析軟件的估算得知，如果定子/轉子的極數從6:4變成8:6，那么最大扭矩從160N·m增至221N·m。圖2：提高頻率后的鐵損對兩種磁芯的鋼板進行了比照。如果頻率增大，那么鐵損出現顯著差異。

在相同極數的馬達方面，在對2種鋼板進行比照時〔1200rpm時〕，通用型的35A300獲得了較大的扭矩〔表3〕。由此前的分析可以認為，采用通用型的35A300對扭矩有利。然而，混合動力車用馬達還需要提高效率。效率可表示為如下算式。效率＝輸出功率〔W〕/〔輸出功率〔W〕＋鐵損〔W〕＋銅損〔W〕〕

輸出功率＝扭矩〔N·m〕×旋轉角速度〔rad/s〕效率越高，就表示能夠將鐵損及銅損降低到越少的程度。而鐵損會隨轉速的升高而增大，銅損會隨著扭矩的增大而增加。通過對2塊鋼板制作效率圖后發現，高速〔高轉速區：3000～7000rpm〕下的效率方面，10JNEX900顯示高出了2～3％的數值。這是由于高轉速〔高頻〕區的鐵損較少的緣故。

而在低轉速區〔1200rpm〕對2塊鋼板進行比照時，可以看出35A300的鋼板的扭矩及效率都相當好〔表3〕。然而，在極數〔定子/轉子〕為18/12的馬達方面，如果在混合動力車實際行駛過程中經常到達的高轉速區〔比方3000rpm〕對效率進行比照的話，可以看出與通過效率圖估算的一樣，10JNEX900的效率較好〔圖3〕。圖3：不同鋼板的效率〔3000rpm時〕

混合動力車使用頻度較多的高轉速區〔3000rpm〕的情況。低輸出功率時的效率方面，此次采用的10JNEX900高于通用鋼板。

35A300在高輸出功率時效率可到達93％，在20kW以下時效率那么會降低。而10JNEX900即使在0～20kW的低輸出功率時，仍可保持著95％以上的高效率。

如上所述，如果僅從扭矩來看，35A300較好，但如果同時考慮到以混合動力方式使用的低輸出功率時的效率，那么10JNEX900略勝一籌。

由于18/12馬達與12/8馬達相比，極數增加，所以線圈尾端可以減短。相應地，磁芯的積厚從125mm增加到了135mm。通過增加積厚來增加了扭矩。

定子的根部傾斜配置為了使1200rpm轉速下的扭矩與上一代普銳斯相同，定子的各凸極根部傾角從3度增大到了10度〔表4〕。其結果是，定子的飽和磁通上升，從而可通入更大的電流。此前，在定子的根部，磁通流為瓶頸。此次通過擴大定子的根部，成功地提高了扭矩〔圖4、5〕。

圖4不同傾斜角下的扭矩如果增大定子根部的傾斜角，那么可提高扭矩。線圈占積率也得到提高。圖5：定子根部的形狀〔a〕傾斜角為3度的定子，〔b〕傾斜角為10度的定子。

不過，如果只傾斜定子的根部，由于插槽的面積會減少，因而線圈的截面積也將減少。所以相應地將轉子的直徑從200mm減小到了180mm，由此增加了定子的厚度，確保了線圈的面積。

最后，對于18/12的馬達〔1200rpm〕，按照鋼板種類比照的結果制作成了“SRM1〞與“SRM2〞，將增加了定子傾角的制作成了“SRM3〞。在SRM2中，平均扭矩為370N·m，效率為77.8％。而SRM3那么扭矩增加到了400N·m，效率增加到了84.3％。

今后，將著手進行逆變器的標準化、減小振動以及降低本錢。SR馬達的逆變器電路與采用磁鐵的IPM馬達不同。因此，試制SR馬達用逆變器時必需特別進行設計，本錢也會增加。假設能夠利用已有的IPM馬達的逆變器電路，那么SR馬達的逆變器就能實現小型化及低本錢化。

此次使用的厚度為0.1mm的鋼板材料的磁致伸縮比0.35mm的鋼板更少，在振動方面較為有利。今后那么方案通過提高定子的剛性等措施，將振動降低到與