电动汽车拆解(全)

2024年3月21日发(作者：宋max新能源)

【电动汽车拆解】PCU（一）：采用双面冷却构造实现小型化

图1：混合动力车的系统构成（雷克萨斯LS600h）由充电电池（镍氢）、PCU（功率控制单元）、

驱动马达及发电机等构成。PCU具有升降压转换器和逆变器能。

电装已开始向丰田汽车的部分混合动力车型提供PCU

（功率控制单元）。

丰田汽车现在的混合动力系统全部为水冷式，而非空冷

式。混合动力车在前格栅的发动机室内配置了不同于发动机

用散热器的混合动力系统专用散热器。混合动力系统采用冷

却水来冷却PCU和驱动马达。

过去，丰田汽车的“普锐斯”及“皇冠Hybrid”等车型一直

利用水冷单面冷却PCU内的功率半导体。

而“雷克萨斯LS600h”采用的最新PCU虽然同样是水冷

图2：PCU（功率控制单元）主体由控制底

式，但采用的是双面冷却构造（图1，2）。由于散热面积

板电路、双面散热的功率半导体元件、层叠

增大，因此比单面冷却更容易冷却。单位体积的输出功率比

型冷却器及电容器等构成。PCU内的功率半

原来提高了60％。在相同的输出功率情况下，体积则可比

导体从两面进行冷却。过去采用的是单面冷

原来减小约30％，重量减轻约20％。

却。

PCU具有逆变器和升降压转换器的作用。逆变器具有将充电电池的直流电压转换成马达驱动用

交流电压的功能以机将马达再生的交流电压转换成直流电压的功能。升降压转换器用来升高和降低

充电电池供应给马达的电压。

向雷克萨斯LS600h等高功率混合动力车提供PCU，需要提高逆变器和升降压转换器的输出功

率，也即需要增大电流。解决方法之一是增加PCU的功率半导体元件数量或使元件比原来流过更大

电流。PCU存在问题是散热。现在的车载用功率半导体最高可耐150℃高温，因此需要采用始终将

温度保持在150℃以下的冷却结构。雷克萨斯LS600h需要提高PCU的性能，同时减小PCU尺寸。

由于不能增加元件数量，因此采用了支持更大电流的功率半导体。

这样，单面冷却就不足以解决大电流功率半导体的散热问题，因此采用了双面冷却结构。过去，

每个元件可流过200A的电流，而雷克萨斯LS600h采用了每个元件可流过300A以上电流的高性能

功率元件（图3、4）。由此逆变器和升降压转换器均减少了功率半导体的数量。新型功率半导体为

富士电机元件科技制造的产品。（未完待续：特约撰稿人：金子高久，电装EHV机器技术部组长）

图3：过去的PCU构成（单面冷却）每个功率半导体元件流过200A，元件散热措施设想采用单面冷却时。

【电动汽车拆解】PCU（二）：实现了与铅蓄电池相当的尺寸

实现了与铅蓄电池相当的尺寸

雷克萨斯LS600h是在高级轿车“雷克萨斯LS460”基础上追加混合动力系统而成。如果是混合动

力专用车，PCU的尺寸或许会更大一些，而雷克萨斯LS600h最优先强调的就是要减小PCU的尺寸。

LS460将置于车辆前部的铅蓄电池移至车辆后部，PCU的尺寸只能与空出的铅蓄电池容积相当。

原来的功率半导体和冷却器的构造由上往下依次为功率半导体元件、绝缘板、散热板（铜或铜

合金）、冷却板（铝合金压铸而成）（图5）。重叠冷却板制成的是冷却器。使冷却水在冷却器中

循环，通过散热板，冷却半导体元件。

图5：单面冷却的构成在绝缘板上面配置功率半导体元件。热量通过绝缘板，传到

散热板，由冷却器散热。

而新开发的PCU由散热板、绝缘板和冷却板夹在功率半导体的两侧而成（图6）。其中，功率

半导体和散热板用树脂封装。功率半导体与信号输入端子之间通过引线键合相连。另外，为确保引

线键合高度方向的空间，在功率半导体的一侧配置了导电垫片。

图6: 新型双面冷却的构成冷却功率半导体的两侧。为提高热传导，在功率半导体

旁边依次配置散热板、绝缘板、冷却器。

为比单面冷却进一步提高热传导率，此次新采用了使功率半导体的热量比起绝缘板，先行向散

热板传导的构造。另外，冷却板跟原来一样，由铝材料制成，不过由压铸件更换成了热传导率高的

冲压材料。

为实现双面冷却，制作了交叉重叠功率半导体和冷却板的层叠型（图7）构造。层叠型的优点

在于可以减小PCU的面积。过去的单面冷却构造在一个封装中集成有多个功率半导体。通过采用多

个封装，提高PCU的性能，不过并不适合细致调整功率半导体数量的设计方案。

图7：冷却器为层叠型（a）双面冷却的PCU采用的是冷却器的冷却板与半导体交

叉层叠的层叠结构。（b）现在采用该结构的只有雷克萨斯LS600h和RX450h，具

有灵活性，可根据车型需要的输出功率改变层叠枚数进行设计。将来还有望应用于

普及车型。

另外，要提高输出功率，需要将封装呈面状横向接合在一起，因此存在面积增大、难以配备于

汽车使用的问题。

此次的构造可根据混合动力车的输出功率选择功率半导体元件的数量。并且，由于是与冷却板

交叉重叠功率半导体的层叠型构造，即使功率半导体数量增加，在设计上也能够减小面积。

新型双面冷却构造的采用车型目前只有最高端车型雷克萨斯LS600h和2009年春季上市的“雷

克萨斯RX450h”，此外还能应用于输出功率较低的混合动力系统。（未完待续：特约撰稿人：金子

高久，电装EHV机器技术部组长）

【电动汽车拆解】PCU（三）：使半导体与冷却板紧密贴合

使半导体与冷却板紧密贴合

双面冷却构造的功率半导体需要在制造方法和维持冷却性能方面下工夫。

新型冷却系统采用的交叉层叠功率半导体和冷却板的构造，因此半导体和冷却板需要始终接触

在一起。制造时首先重叠冷却板制成冷却器，然后重叠功率半导体，插入冷却器中（图8）。

图8：PCU的制造工序在层叠型冷却器中插入功率半导体元件。通过向冷却器两侧加压，

使冷却板与半导体元件紧密贴合。最后，用板簧对冷却器加压，维持冷却性能。

为便于插入半导体，可增大冷却板与冷却板的间隔。但是，如果间隔过大，冷却板与半导体之

间就会留有缝隙，冷却半导体的性能就会降低。因此，最初先扩大冷却板的间隔，插入半导体后，

通过对冷却器两侧加压，使冷却板与半导体紧密贴合。

对冷却器加压时，为防止冷却器破损，采用了冷却板与冷却板之间产生形变的结构（图9）。

通过使冷却器在冷却水不漏的前提下变形，实现了层叠结构。

图9：层叠型冷却器在生产时变形层叠型冷却器为使半导体元件与冷却板紧密结合，生

产时进行加压。采用了加压时、为使冷却板与冷却板之间的距离缩短而变形的结构。

作为表示双面冷却性能的数据，有热传导率模拟数据和热阻试验数据。通过热传导模拟，比较

了冷却构造中的最热部分（热阻最高的部分）。模拟结果表明，双面冷却构造比单面冷却构造的热

阻可降低约48％。

通过热阻实验数据，比较了功率半导体每个位置的冷却性能（图10（a）。该实验将功率半导

体耐热性上限150℃下的热阻目标值定为0.3K/W左右。实验数据控制在上限以下（图10（b）。另

一组热阻试验的数据测量了改变冷却水流速时的热阻。将功率半导体每个位置（下降侧的1～12）

的热阻做成了图表。数据显示热阻始终在0.3K/W以下，满足了散热条件（图10（c）。

图10：采用双面冷却，冷却性能达到目标值以下（a）对PCU的功率半导体，在冷

却水入口按顺序贴上序号1～12。在冷却水入口侧（上升）和出口侧（下降）比较

了功率半导体的冷却性能。（b）热阻值的比较。冷却水入口侧和出口侧均控制在

功率半导体目标值0.3K/W以下。（c）改变冷却水流量时的热阻控制在目标值以下。

功率半导体的耐热性是一大课题，不过将来该课题有可能得到彻底解决。比如，现在使用的是

Si（硅）晶圆，而用SiC（碳化硅）材料做的话，耐热性将大幅提高，同时还能够通过更大的电流。

另外，现在设计的是水冷式PCU，今后随着气流改善等，或许还需要研究空冷式PCU。今后的

10年将是决定PCU未来走向的关键时期。（特约撰稿人：金子高久，电装EHV机器技术部组长）

【电动汽车拆解】DC-DC转换器（四）：提高电压转换效率

TDK已开始向混合动力车及电动汽车提供“DC-DC转换

器”。电动汽车充电电池的电压高达数百伏。DC-DC转换器将

充电电池的电压降至14V，提供给铅蓄电池。再把铅蓄电池

作为电源驱动发动机的辅机类、雨刷及前照灯等器件。

世界首款量产混合动力车的投入使用已经12年。包括

TDK在内，DC-DC转换器单位体积的功率密度逐年提高，估

计今后也是这一趋势。

TDK的DC-DC转换器于1997年实际应用于混合动力车。

本田将在现行的“思域混合动力车”和新款Insight上采用（图

1）。还被部分海外厂商应用于混合动力车。

Insight之所以采用TDK制造的DC-DC转换器，是因为

能够满足小型与轻量化的要求。本田对Insight减小了包括

DC-DC转换器和逆变器在内的PCU（功率控制单元）尺寸及镍氢充电电池的尺寸。这些器件在思域

混合动力车中曾配置在后座后面，而在Insight中，却配置在行李舱下面，以使行李舱的可用空间比

以前增大。DC-DC转换器的小型化有利于扩大行李舱容量，降低成本。

Insight上使用的最新款DC-DC转换器与思域混合动力

车上配备的原产品相比，重量减轻45％，容积减小5％（图

2）。重量低于1kg。转换效率确保在90％以上。

省去交流发电机

混合动力车及电动汽车导入DC-DC转换器之后，可省去

交流发电机。交流发电机利用发动机的旋转发电，发出的电

Insight采用的DC-DC转换器将混合动

为铅蓄电池充电（图3）。电动汽车的充电电池容量很大。

图2：

图1：本田新款混合动力车“Insight”的后座周

围采用小型化PCU（功率控制单元）。原来

配置在后座后面，通过小型化，得以配置在

行李舱下面。后座后面可以当作行李舱空间

使用。

因此，以充电电池为电源，能够利用DC-DC转换器为铅蓄电

力车配备的数100V的充电电池电压降至铅

池充电。从而可以省去原来的交流发电机（图4）。Insight

蓄电池的14V电压。Insight采用的方式（空

就未配备交流发电机（图5）。

冷式）。

图3：汽油发动机车配备交流发电机利用发动机转动交流发电机，为铅蓄电池充电。

图4：混合动力车和电动汽车不需要交流发电机利用DC-DC转换器降低充电电池的

电压，为铅蓄电池充电。

图5：Insight的动力传动系统未配备交流发电机。

使用充电电池和DC-DC转换器，可以不必考虑发动机的转速而为铅蓄电池充电。原来的汽油发

动机车，当发动机转速低时，如果同时使用空调、立体声及车灯等，有时“电池的电量会用尽”。即

使发动机仍在运行，有些条件下也会出现电力不足现象。

而如果像混合动力车和电动汽车这样使用充电电池和DC-DC转换器，便可不必考虑发动机的转

速而使用电力。（未完待续，特约撰稿人：近藤朋之，TDK电力系统业务集团EV电源部部长）

【电动汽车拆解】DC-DC转换器（五）：保留铅蓄电池

保留铅蓄电池

混合动力车和电动汽车按说也能省去铅蓄电池，但实际上还是保留了铅蓄电池（图6）。Insight

也保留了铅蓄电池。这样做有两大原因。一是保留铅蓄电池更能够降低整个车辆的成本。二是确保

电源的冗余度。

图6：包括DC-DC转换器的混合动力车系统构成现在的DC-DC转换器为单向电流，

而今后有可能变成双向。有些车型还追加DC/AC输出端及升压转换器等转换器部

件。

铅蓄电池能在短时间内向空调、雨刷及车灯等释放大电流。如果省去铅蓄电池而将充电电池的

电力用于補机类、空调及雨刷等，DC-DC转换器的尺寸势必就要增大，从而使整体成本增加。铅蓄

电池便宜，因此目前将铅蓄电池置换成充电电池还没有成本上的优势。

二是铅蓄电池还有确保向補机类供电的冗余度的作用。DC-DC转换器出现故障停止供电时，如

果没有铅蓄电池，補机类就会立即停止运行。夜间车灯不亮，雨天雨刷停止运行等，就会影响驾驶。

如果有铅蓄电池，便能够将汽车就近开到家里或者工厂。

今后DC-DC转换器功能改进的方向之一是双向化。现在使用的DC-DC转换器只是单向改变电

压。现在也存在要求双向的需求。当充电电池的电力不足时，便可将铅蓄电池的电力输入充电电池，

以备紧急之需。双向化是今后将继续探讨的课题，这也是确保冗余度的方法。

TDK分代开发了DC-DC转换器基本电路（平台）（图7）。其中包括2001年开始量产的“GEN3”

（第3代）、2005年量产的“GEN4”（第4代）、2008年量产的“GEN4.5”（第4.5代）。现在正在

开发的是“GEN5”（第5代）。根据基本电路，制成符合各汽车公司要求的产品。

图7：DC-DC转换器的发展蓝图公布了该公司2001年以来的产品。DC-DC转换器

不断小型·轻量化，效率不断提高。

DC-DC转换器不同的代规定了变压器的种类及DC-DC转换器电路的基本构造。水冷/空冷、端

子位置，主体形状等根据采用车型进行设计。基本构造以严酷环境下的空冷为前提设计。

按产品来看，转换效率由第2代到第5代一直在提高（图8）。电流为10A时，转换效率分别

为约84％（第2代）、约86％（第4代）、约89％（第4.5代）。电流为70A时，转换效率由约

86％（第2代）提高到约88％（第4.5代）。预计下一代第5代将超过90％。

图8：DC-DC转换器的效率效率逐代进化。最新一代GEN4.5的转换效率为90％左

右。下一代将超过90％。

【电动汽车拆解】DC-DC转换器（六）：DC-DC转换器的性能

DC-DC转换器的性能

DC-DC转换器的主要部件是变压器。变压器由一次侧（输入侧、充电电池侧）和二次侧（输出

侧、铅蓄电池侧）两种线圈构成。线圈比与电压比成比例。

利用变压器改变电压时，变压器需通过交流电压。充电电池是直流电压，因此DC-DC转换器通

过利用功率半导体ON/OFF来自充电电池的直流电压，将其转换成交流电压。然后，利用变压器转

换交流电压，再利用功率半导体将交流电压转换成14V的直流电压。利用功率半导体转换交流和直

流时，为抑制电压波形的噪声（平滑化），还使用了电容器。

决定DC-DC转换器性能的主要因素是变压器。变压器的大小、形状及支持的开关频率随着更新

换代而进化（图9）。开关频率由70kHz提高到110kHz，变压器铁芯的重量由215g左右减轻至61g

左右。变压器的线圈通过采用层叠平面线圈的类型，降低了高度。

图9：变压器铁芯逐代进化（a）产品越新（PC95），温度特性越高。（b）随着产

品更新换代，重量减轻、能量效率提高、进化成易于散热的形状。

通过提高开关频率，可减小变压器和整流电路的尺寸。因为频率提高，可使功率半导体单位时

间的开关次数增加。不过，为防止接近收音机AM广播的频率，过去一直采用70kHz频帯。最近由

于抑制噪声的技术取得进步，采用了比原来高40kHz的110kHz频帯。

变压器的铁芯材料采用的是最新的铁氧体材料“PC95”。PC95的原料为Fe（铁）、Mn（锰）、

Zn（锌）。Fe的混合比例等与原产品（“PC44”、“PC45”等）

不同。原产品在有些温度下，会出现铁损增大、效率降低现

象。最新的铁芯可在很大的温度范围内减小铁损。铁损以磁

滞损耗为主，还包括涡流损耗。

与二次侧变压器相连的整流二极管采用了比上代热损耗

低的产品。这样，整流二极管的封装面积比原来减小40％。

混合动力车用DC-DC转换器上使用的变压器铁芯材料采

用了铁氧体（表）。因为变压器中流过100kHz左右的高频电

流，与其他材料相比，铁氧体的效率最高。

家电中使用的变压器的工作频率为50/60kHz左右，适于采用硅钢。非晶材料适合于频率高于

100kHz的领域。（全文完，特约撰稿人：近藤朋之，TDK电力系统业务集团EV电源部部长）

表 DC-DC转换器的变压器铁芯材料铁氧体

在铁损和成本方面占优势。

【电动汽车拆解】空调压缩机（七）：不断推进电动化

三电（SANDEN）从1971年开始生产车载空调压缩机。如今已在欧洲、北美和亚洲拥有生产基

地，掌握着全球25％的份额。

受全球环保规定和高燃效技术发展的影响，在汽车行业中，发动机的小型化和HEV（混合动力

车）·EV（电动汽车）化的速度正在加快。

关于应对环保规定的办法，除了提高发动机效率、添设增压器来缩小发动机体积外，HEV还可

尽量延长电机驱动时间，EV可在轻量化的同时配备高性能电池等。具体做法因汽车厂商而异。

备有3类压缩机

本公司的空调压缩机大致分为三类。

面向需要提高现有内燃机效率、实现小型化的汽车厂商，供应的是借助传统发动机皮带传动类

型的压缩机。面向以发动机为主体、电机为辅的车辆（Mild-HEV）供应的是皮带传动和电机驱动兼

顾的混合式压缩机。对于以电机为主体（Strong-HEV、EV）的车辆，则供应电动压缩机。（图1）。

图1：空调压缩机的类型包括使用发动机驱动的类型，同时使用发动机和电机驱动

的混合动力型，单纯使用电机驱动的类型3种。(点击放大)

本公司的电动压缩机开发始于1986年。开发伊始虽然也经历过摸索阶段，但是在向推进车辆电

动化的美国汽车厂商供货的过程中，产品化速度非常之快。1990年，电动车“EVS-10”在美国投入使

用。当时就是本公司供应的电动压缩机，但产量还非常少，在成本、充电电池、基础设施的限制下

未能普及。

当时的电动压缩机需要另配逆变器，成本昂贵，空间利用率也比较低。之后，本公司在电动压

缩机与逆变器的一体化、压缩机构的高效化及小型轻量化等方面推进了开发。

对于2005年上市的本田“思域混合动力”车型，本公司以此前开发的电动压缩机为基础，又开发

出了皮带传动与电机驱动兼顾的混合式压缩机（图2）。这种混合式压缩机能够在车内温度高、车

速慢等空调负荷较高的情况下同时使用皮带传动和电机驱动，使制冷能力达到最大（图3）。

图2：本田2005年9月上市的“思域混合动力” （a）车辆。（b）混合式压缩机。

同时支持发动机驱动与电机驱动。(点击放大)

图3：混合式压缩机的驱动分为三种（a）发动机运转带动压缩机工作时。（b）空

调专用电机运转带动压缩机工作时。（c）发动机用与电机用压缩机同时运转时。

而在空调负荷较低时，则可以区别使用皮带传动和电机驱动，在车辆停止时单独使用电机驱动，

以最低限度的制冷性能抑制车内温度的上升。

本公司2009年开始向德国戴姆勒（Daimler）的高级混合动力车“S400”供应电动压缩机（图4）。

S400的要求非常高，面临低电压驱动等众多难题。但戴姆勒对我们此前的电动压缩机开发进程及运

动型高级车“SL”上使用的皮带传动型压缩机的性能及质量给予了高度评价，因而采用了我们的产品。

图4：德国戴姆勒2009年6月上市的混合动力车“S400HYBRID” （a）机体，（b）

发动机与电机部分。

压缩机中的电机使用钕磁铁，虽然是8.2kW功率，使用转数范围为700～9000rpm的高功率配

置，而额定电压仅为120V（图5）。

图5：S400采用的电动压缩机（a）机体，（b）截面图。

通常以低电压实现高功率需要大电流，这样就会导致逆变器周围的电子部件成本上升，体积增

大。

而此次开发过程中，电机尺寸、成本、噪声均得到了控制，齿槽转矩等特性在设计时也进行了

综合考虑。特别是冷媒压缩部分沿袭了传统的皮带传动型的可靠性，采用了使用低压低温侧冷媒冷

却逆变器的方式。

随着车辆电动化的全面展开，空调的电动化正在加速。本公司在全球最先向车辆供应的涡旋式

压缩机虽然具备效率高、静音性高、驱动转矩变化小等车辆厂商要求的高水准，但不适合改变排放

容积，进行精密控制的需求。

此次，在对压缩机进行电动化后，压缩机转数无需与发动机转数挂钩，可以使用电机达到所需

转数。从而实现了与排放容积可变型压缩机相同的高效率、静音性能优良等特点，而且能够实施精

密控制。

今后的HEV和EV将不再只是汽车厂商的战略车和高级车，还会向中小型的普及车发展。今后

的电动压缩机需要实现更高程度的高效化、小型轻量化及低成本化（图6，7）。

图6：电动压缩机的发展现行的A型已向S400供应。B型除支持客户的CAN通信

外，还减少了噪声的产生。新一代型通过实现对高输入电压的支持，缩小了机体体

积。(点击放大)

图7：电动压缩机的发展过程本公司于1986年开始开发电动空调压缩机。产品于

上世纪90年代开始向“EVS-10”供应。之后，混合式产品于2004年投入量产，并向

本田供应。今后，本公司计划对S400用型号进行小型及轻量化，向普及型混合动

力车和电动汽车供应。 (点击放大)

而且，根据今后的环保规定，未来的HEV必须进一步削减CO

2

排放量。这就要缩短发动机驱动

时间、延长电机驱动时间。电机驱动时间的延长必然会缩短内燃机的工作时间，减少车辆产生的热

量（排热）。

由于无法再利用排热制暖，因此，对于HEV和EV而言，高效制暖则是重大课题。

制暖效率存在课题

比方说，有实验结果显示，如果现在EV的续航距离为160km，那么，在使用加热器制暖的情况

下，续航距离将会减半到80km。也就是说，制冷、制暖会在很大程度上限制EV车辆的商品价值以

及用户的使用环境。

这无论对于整车厂商、还是对于空调设备厂商，都是非常紧迫的问题。要想解决这一问题，电

池容量的提升、车辆动力效率的提升、空调效率的提升、新机构的采用必须同时达到较高水平。

对于空调设备厂商而言，包括压缩机、冷凝器、蒸发器、加热器铁芯等热交换器的小型及高效

化，降低HVAC空气侧的损耗在内，需要在现有产品基础上进行改进的方面还有很多。

而且，如果不能增加新的机构、手法以及控制方式，从空调系统整体出发结合车辆状态进行控

制的话，HEV和EV的商品价值将无以维系。

未来以利用热泵为目标

高效制暖方法有一般家庭使用的热泵。虽然将其配备在车辆上就可以解决问题，但实施起来却

并不简单。对于住宅与车辆，其外部气体热负荷、负荷变化、振动环境、空间效率等配置要求和使

用环境不尽相同，在汽车上安装热泵非常困难。热泵系统的心脏部件——压缩机也必然置身于恶劣

的使用环境中，还需要进一步改进。

除汽车设备业务外，本公司还通过独自的制冷制热技术，为自动售货机、商店、居住环境业务

等多个领域开发出了相应的系统。

这些系统中广泛使用了热泵技术，除了与各种使用环境相对应，在简单的空调电路的基础上还

采用了二级复合电路，加入了同时调节各个温度区域的技术。对于汽车，当务之急是对此类技术实

施小型轻量化，开发廉价且环境耐受性优良的产品。（特约撰稿人：小野时人，三电 开发本部全球

开发统括室室长）

【电动汽车拆解】制暖（八）：用电加热器代替发动机

电动汽车（EV）的课题之一在于保证车内的制暖性能。

发动机车能够利用发动机产生的热量使车内保持足够温暖。

而EV没有发动机，因此制暖热源须有保证。三菱重工业为

EV开发出了用电发热的加热器。已由三菱汽车EV“i-MiEV”制暖系统所采用。

三菱汽车2009年7月上市的电动汽车“i-MiEV”采用了三菱重工业生产的电加热器作为空调的制

暖热源（图1）。

图1：三菱汽车的电动汽车“i-MiEV”和制暖系统（a）i-MiEV。制暖的热源采用了三

菱重工为EV全新开发的加热器。（b）制暖系统。加热器配置在驾驶席和副驾驶席

之间的地板下方。

传统发动机车一直把发动机散热作为制暖热源。但电动汽车（EV）没有发动机，混合动力车

（HEV）在发动机停转时车内也需保暖。而此次采用的电热式加热器因可用电取暖，是EV和HEV

有效的制暖方式。

i-MiEV采用的加热器由可用电发热的PTC（Positive Temperature Coefficient）加热器元件、将

加热器元件的热量传送至散热剂（冷却水）的散热扇、散热剂流路和控制底板等组成（图2）。因

要求加热器要有较高的制暖性，因此，电源使用的是驱动马达的锂离子充电电池（330V），而非铅

充电电池（12V）。

图2：加热器机身：内部有板状加热器元件。通过在元件两侧通入散热剂（冷却水）

提高散热性。

由于要制造的小型单元要使用330V高电压，用少量放热元件产生大量热量，因此，加热器需

要丰富的设计和制造技术经验。

用PTC加热器将水加热

加热器元件采用了普通PTC元件。PTC元件夹在电极中间，具有电阻随元件温度改变的性质。

在低温区，电阻低，电流流通产生热量，随着温度升高，电阻逐渐增大，电流难以流通，发热

量随之降低。PTC元件的特性据称符合汽车的制暖性能要求——具备在低温区的高制暖性能。

此次开发的加热器由四片平面状加热器元件横向排列组成。元件两侧有散热扇，散热剂能够在

流动中接触散热扇，吸收加热器的热量（图3）。4片加热器元件面积各异，通过改变发热元件的数

量和组合，可以分级切换制暖能力。

图3：加热器截面图：机身上半部分有控制底板，下半部分有加热器元件等放热部

分。散热剂利用散热扇加热。

加热器元件为加载高电压，以绝缘材料裹覆。采用的绝缘材料有氧化铝材料和硅树脂材料两种。

加热器元件的两侧先用氧化铝材料夹裹、再以硅材料夹覆。将加热器元件双重夹裹是为了提高拼接

精度。因为内侧的氧化铝偏硬，所以多覆盖一层硅板能够提高与散热扇之间的密闭性，确保其散热

性。现行产品使用2种绝缘体，计划2013年左右投放的第3代产品将使绝缘体的种类减少到1种。

加热器上有散热剂的入口和出口（图4）。散热剂经上方进入加热器元件之中。元件中的流路

因采用了弯折结构，使散热剂的入口和出口得以设置在左右两端。如果散热剂通路不弯折，则入口

和出口就必须在单元的左侧或右侧重叠配置，使加热器的尺寸加大。散热扇为铝合金制成。为了提

高气密性，接合面在压铸成形后进行了切削。

图4：加热器内的散热剂流路：散热剂从加热器元件的两面通入，能够实现高效放

热。流路采用了散热剂入口和出口分别位于左右两侧的设计。

此加热器属加热散热剂的类型。使用散热剂的一大原因是为了沿用现有发动机车的制暖系统。

沿用汽油车的制暖系统

发动机车的制暖系统由发动机、散热剂、加热芯和送风的鼓风机马达组成。吸收发动机的热量温度

升高的散热剂在加热芯中受风，为车内制暖。由于i-MiEV是以发动机车“i”为原型设计的EV，因此，

只要有散热剂式加热器和电动水泵就能够沿用i的机构。

如果是开发EV专用产品，也可以不使用散热剂，直接用鼓风机吹送经PTC加热器加热的暖风

即可。

但如果这样，即便EV特有结构能够实现，对现有系统也需要进行多处变更，使可靠性验证进度

拖延。因此，i-MiEV从利用现有系统、以可靠性为重的角度出发，采用了使用散热剂的加热器单元。

从制暖系统整体来看，发动机车与i-MiEV等EV的区别如下（图5）。首先是上面提到的热源

由加热器取代了发动机。发动机车是依靠曲轴旋转带动散热剂循环，EV则需要新增电动泵。

图5：制暖系统的区别（发动机车和EV）

（a）发动机车的制暖系统。热源和散热剂循环由发动机的驱动力带动。当加温后

的散热剂通过加热芯时，鼓风机马达向加热芯送风，为车内取暖。（b）EV的制暖

系统。因为没有发动机，所以热源为加热器，配备了带动散热剂循环的电动水泵。

下一代、再下一代的加热器

此次实用化的加热器为宽180×长290×高100mm，重7.4kg。制暖能力5.0kW。如果加热器的

技术发展规划把2009年7月实用化的产品视为第1代，则计划第2代和第3代将分别于2011年和

2013年前后问世（图6）。

图6：截至2013年的加热器发展蓝图

2009年应用于i-MiEV的是第1代。预定于2011年左右投放市场的第2代计划实

现30％的小型及轻量化。预定于2013年上市的第3代将争取使体积和重量缩小到

第1代的一半。

第2代计划在沿袭第1代的基本结构和性能的基础上，实现小型化和轻量化。第1代为了最大

限度考虑安全性，加热器尺寸较大。为防止散热剂漏进加热器及提高绝缘性预留了大量空间。第2

代将通过优化这些空间缩小机身体积。

此外，目前加热器的ECU（电子控制单元）与空调系统整体是各自独立的。而计划从第2代开

始，ECU将与加热器融为一体。通过这一改进，体积和重量预定减少到70％。

第2代还考虑提高制暖能力的设定精度。现在借助阶跃信号的开关总共能够实现8级性能切换，

第2代还将加入对PWM（Pulse Width Modulation：脉宽调制）控制的支持，使制暖性能的调节更

为细致。

第3代产品则会通过缩小PTC元件与散热剂之间的热阻并减少散热剂与散热扇接触面积等方

式，争取使体积和重量比第1代减少50％。

汽车厂商的努力

为EV配备多个加热器元件可以使其制暖能力提高到与发动机车相当。但是，为了尽量把电池容

量留给行驶，汽车厂商在设计时对制暖耗电进行了抑制。

三菱汽车公布的i-MiEV的续航距离（10·15模式）为160km。以市区行驶速度（40～60km/h）

为例，在某些条件下，使用制暖时的行驶距离要短于使用制冷时。制冷的电池消耗虽大，制暖的电

池消耗更胜一筹。

汽车厂商正在着手开发能够以有限的制暖性能提高用户满意度的制暖技术。比方说，i-MiEV采

用了手动式空调。用户按下“MAX”开关后，温控性能和风量会以最高设定运行（图7）。

图7：利用手动空调降低温控功耗（i-MiEV）：汽车厂商为降低i-MiEV空调耗电、

延长续航距离为其采用了手动空调。在三个开关中，最右侧是温度设定开关。手动

按下“MAX键”后，温控性能和风量会以最高设定运行。

目前，i-MiEV的制冷制暖系统各自独立。制冷依靠使用电动压缩机的系统，如果能够把该系统

应用于制暖，则功耗较使用加热器就有望降低（图8）。在理论上，制冷循环逆转可以用于制暖。

但在环境气温低的情况下，制暖性能会下降，无法满足在低温区具高制暖性能的汽车制暖性能要求。

图8：空调的制冷系统（i-MiEV）

利用电动压缩机压缩冷媒并使其循环。行驶时，冷媒在冷凝器中受风冷却。

而且，在冬天，当冷凝器（制暖时改为蒸发器）结霜时，制暖性能也难以发挥。这就需要考虑

增加为冷凝器（制暖时为蒸发器）加温除霜的系统。

制暖原本在某些情况下需要比制冷更高的性能。例如，在冬天制暖行驶时，为防止车窗起雾一

般会导入车外空气。汽车因要在行驶的同时向车外排放加热了的空气，此时制暖需要比制冷更高的

性能。由此可见，将热泵系统用于汽车制暖仍然存在着诸多课题。（特约撰稿人：三菱重工业冷热

业务本部汽车空调技术部首席技师 中川信也）

【电动汽车拆解】马达（九）：不使用电磁钢板的马达铁芯

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％。

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。

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）。

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。

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）。

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。

充分发挥非晶态金属的特点

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。

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％。

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

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。

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％。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）

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。

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％。

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。（特约撰稿

人：日立研究所 马达技术创新中心 主任研究员 榎本 裕治）

【电动汽车拆解】马达（十）：不用永久磁铁的驱动马达

目前，电动汽车以及混合动力车的驱动马达必不可少地要采用高成本的稀土材料。东京理科大

学着眼于SR马达，开发出了用于混合动力车的驱动马达。实现了与丰田上一代“普锐斯”马达同等尺

寸、输出功率、扭矩及效率。另外还通过充分利用分析软件，改进了磁芯材料以及马达构造

东京理科大学试制出了用于混合动力车用的驱动马达（图1）。其特点是采用了完全不使用磁

铁的SR（开关磁阻）马达构造。这表明，即使不采用钕类磁铁等成本较高的稀土类材料，也能制造

出驱动马达。

由于稀土类材料不仅受到产国以及产量的限制，而且容易成为投机的对象，因此，市场价格随

着时间的不同，有时会出现2～3倍的变动。如果此次试制的驱动马达能实用化，那么，汽车厂商就

能比以前更大程度地降低混合动力车的价格，并且能够面向未来制定稳定的量产计划。

图1：此次试制的驱动马达

（a）外观。驱动马达没有采用普通的IPM（内嵌式永磁同步）马达构造，而是采

用了SR（开关磁阻）马达的构造。实现了与上一代“普锐斯”IPM马达同等的性能指

标。（b）马达内部的磁芯构造。定子为18极，转子为12极。通过增加极数，提

高了扭矩。定子上带有线圈。

丰田“普锐斯”以及本田“Insight”等代表性混合动力车的驱动马达，是在转子中嵌入钕类磁铁而成

的IPM（内嵌式永磁同步）马达。IPM马达由于既可利用磁铁扭矩、又可利用磁阻（Reluctance）扭

矩，因此，效率及性能较高。然而，由于制造起来仍然依赖钕类磁铁，所以希望有新的解决方案。

另一方面，SR马达虽然具有不使用磁铁的特点，但由于不能利用磁铁扭矩，只能利用磁阻扭矩，

因而存在着效率及扭矩较低的问题。因此，要想实现混合动力车所需要的效率及扭矩，则必需加大

马达的尺寸，所以采用SR马达被认为不是现实可行的方法。

此次设计的SR马达通过在马达的材料及构造上下工夫，在与丰田上一代普锐斯（2003年推出）

的IPM马达同等尺寸的条件下，确保了效率、扭矩以及输出功率（表1）。具体而言，在1200rpm

条件下，实现了50kW（上一代普锐斯为50kW）的输出功率、403N·m（上一代普锐斯为400N·m）

的扭矩以及86％（上一代普锐斯为83％）的效率。今后，将对所试制马达的性能是否达到了设计值

进行验证。

借助磁阻差旋转

SR马达利用转子与定子间产生的磁阻差，使转子产生旋转。在两者的磁阻由高变低的作用下，

定子不停地吸引转子。

在转子与定子的凸极重合的地方，转子与定子的间隙（距离）变小，磁阻也变小。

相反，在间隙较大的地方，磁阻也变大。系统找出转子与定子之间磁阻减少的组合，并向对象

定子的线圈中通入电流，由此使转子产生旋转。转子与定子的磁极重合时以及不重合时的电感（磁

力）差越大，扭矩也越大。

在构造及材料上下工夫

此次试制的SR马达是通过马达磁场分析软件设计的。通过分析软件，选择了马达磁芯的材料以

及马达的构造。

上一代普锐斯的IPM马达的积厚（磁芯的轴向厚度）为83.6mm，如果将71.4mm的线圈尾端

长度（线圈突出于磁芯轴向长度之外的长度）包含在内，则约为156mm。由于线圈为分布卷绕方式，

因而线圈尾端较长，磁芯的积厚不能做得太大。

而SR马达由于采用了集中卷绕方式，因此，可减短线圈尾端，相应地增大了马达磁芯的积厚。

开发SR马达时，就把与上一代普锐斯的IPM马达相同的大小的扭矩作为了开发目标。

磁芯材料方面，为板厚为0.35mm的硅钢板，与普锐斯等车型上通用的“35A300”（JIS标准）

与JFE钢铁的“10JNEX900”（厚度为0.10mm）进行了对比。10JNEX900含有6.5％的硅。

随着频率增高，通用件35A300的铁损增幅变得比10JNEX900更大（图2）。此处的频率与转

图2：提高频率后的铁损对两种磁芯的钢板进行了对比。如果频率增大，则铁损出

现显著差异。

子的极数成比例。另外，已知如果增加转子的极数，则扭矩增大。也就是说，较大的扭矩可通

过增加极数来得到（表2）。通过分析软件的估算得知，如果定子/转子的极数从6:4变成8:6，则

最大扭矩从160N·m增至221N·m。

在相同极数的马达方面，在对2种钢板进行对比时（1200rpm时），通用型的35A300获得了

较大的扭矩（表3）。

由此前的分析可以认为，采用通用型的35A300对扭矩有利。然而，混合动力车用马达还需要

提高效率。效率可表示为如下算式。

效率＝输出功率（W）/（输出功率（W）＋铁损（W）＋铜损（W））

输出功率＝扭矩（N·m）×旋转角速度（rad/s）

效率越高，就表示能够将铁损及铜损降低到越少的程度。而铁损会随转速的升高而增大，铜损

会随着扭矩的增大而增加。通过对2块钢板制作效率图后发现，高速（高转速区：3000～7000rpm）

下的效率方面，10JNEX900显示高出了2～3％的数值。这是由于高转速（高频）区的铁损较少的缘

故。

而在低转速区（1200rpm）对2块钢板进行对比时，可以看出35A300的钢板的扭矩及效率都

相当好（表3）。然而，在极数（定子/转子）为18/12的马达方面，如果在混合动力车实际行驶过

程中经常到达的高转速区（比如3000rpm）对效率进行对比的话，可以看出与通过效率图估算的一

样，10JNEX900的效率较好（图3）。

图3：不同钢板的效率（3000rpm时）

混合动力车使用频度较多的高转速区（3000rpm）的情况。低输出功率时的效率方

面，此次采用的10JNEX900高于通用钢板。

35A300在高输出功率时效率可达到93％，在20kW以下时效率则会降低。而10JNEX900

即使在0～20kW的低输出功率时，仍可保持着95％以上的高效率。

如上所述，如果仅从扭矩来看，35A300较好，但如果同时考虑到以混合动力方式使用的低输出

功率时的效率，则10JNEX900略胜一筹。

由于18/12马达与12/8马达相比，极数增加，所以线圈尾端可以减短。相应地，磁芯的积厚从

125mm增加到了135mm。通过增加积厚来增加了扭矩。

定子的根部倾斜配置

为了使1200rpm转速下的扭矩与上一代普锐斯相同，定子的各凸极根部倾角从3度增大到了10度

（表4）。

其结果是，定子的饱和磁通上升，从而可通入更大的电流。此前，在定子的根部，磁通流为瓶

颈。此次通过扩大定子的根部，成功地提高了扭矩（图4、5）。

图4 不同倾斜角下的扭矩如果增大定子根部的倾斜角，则可提高扭矩。线圈占积

率也得到提高。

图5：定子根部的形状（a）倾斜角为3度的定子，（b）倾斜角为10度的定子。

不过，如果只倾斜定子的根部，由于插槽的面积会减少，因而线圈的截面积也将减少。所以相

应地将转子的直径从200mm减小到了180mm，由此增加了定子的厚度，确保了线圈的面积。

最后，对于18/12的马达（1200rpm），按照钢板种类对比的结果制作成了“SRM1”与“SRM2”，

将增加了定子倾角的制作成了“SRM3”。在SRM2中，平均扭矩为370N·m，效率为77.8 ％。而SRM3

则扭矩增加到了400N·m，效率增加到了84.3％。

今后，将着手进行逆变器的标准化、减小振动以及降低成本。SR马达的逆变器电路与采用磁铁

的IPM马达不同。因此，试制SR马达用逆变器时必需特别进行设计，成本也会增加。假如能够利

用已有的IPM马达的逆变器电路，那么SR马达的逆变器就能实现小型化及低成本化。

此次使用的厚度为0.1mm的钢板材料的磁致伸缩比0.35mm的钢板更少，在振动方面较为有

利。今后则计划通过提高定子的刚性等措施，将振动降低到与IPM马达同等程度。在低成本化方面，

由于0.1mm的钢板材料为特殊材料，因此，还希望探讨使用通用的0.35m钢板来获得同等性能。

【电动汽车拆解】马达（十一）：通过切换马达线圈，在大转速范围

内保持输出功率

安川电机开发出了供EV（电动汽车）及HEV（混合动力车）使用的“QMET Drive”马达驱动系统，

并实现了实用化（图1）。该系统的特点是采用了称为“QMET”（Qualified

Magneto-ElectoronicTransmission）的技术，该技术可根据马达的转速来切换电流流经的线圈，从

而使马达一直保持90％以上的效率。

图1：驱动马达系统“QMET Drive”:采用通过半导体开关来切换驱动马达线圈的

“QMET”技术。（a）驱动马达、（b）逆变器。

原来的马达在运转范围内存在某一扭矩和速度（转速）下效率达到最高值的点，偏离该点，效

率就会逐渐下降。采用低转速下获得高效率的设计时，就会出现在高转速下效率显著下降的问题（图

2）。

图2：马达效率分布

效率高的点在低转速范围和高转速范围中有所不同。（a）通过切换线圈的数量，

可大范围确保效率高的点。（b）线圈切换马达的效率分布示例。

而切换线圈的马达在高转速下也可保持高效率。这样，EV及HEV便可在控制所配充电电池容

量的同时，确保持续行驶距离。

新开发的驱动马达系统在马自达2009年开始租售的串联HEV“普利马氢转子发动机混合动力车

（Premacy Hydrogen RE Hybrid）”上首次被采用。安川电机运用QMET技术，在2010年开发出了

输出功率不同的3种EV通用马达。

在串联HEV上采用

马自达普利马氢转子发动机混合动力车是一款串联HEV。串联HEV虽然配备有发动机，但并非

将发动机直接用作驱动力，而是被用于使发电机旋转产生电力。

HEV起动时发动机停止工作，仅凭马达来驱动。行驶时电池停止向马达供电，通过发动机的旋

转，凭借发电机生产的电力来驱动马达。另一方面，在坡道及超车等需要使用大功率进行加速时，

发动机就会起动，通过电池和发电机同时提供电力来驱动马达。而减速时，马达就起到发电机的作

用。

马自达采用的驱动马达系统“QMET Drive”由支持线圈切换的驱动马达、逆变器及电子式线圈切

换电路（开关）构成。驱动马达在内侧配备了嵌入磁铁的转子，在外侧则配备带线圈的定子。

EV及HEV使用的驱动马达要求在低转速下实现高扭矩以及大额定功率，但问题是很难在整个

转速范围内都保持高效率。而安川电机开发的马达在低转速时使用整个线圈，在高转速时只使用约

半个线圈，通过切换线圈，同时具有低速和高速时的马达特性，从而可保持高效率。

马达的开发背景在于驱动马达存在的课题。驱动马达一般通过向线圈施加逆变器的电压，使电

流流过线圈，由此来旋转转子。但这时线圈上会与转速成比例地产生反电动势。

在高转速范围内，只能施加从逆变器电压中扣除反电动势后的电压，不让电流流过线圈。由于

扭矩与电流成比例，因此电流少的话，扭矩就会变小，进而在某一转速下变成零，这样马达转速就

无法超过某个水平。EV及HEV需要在低转速到高转速的范围内输出扭矩，因此需要采取相应的对

策。

为了解决这一课题，各公司以有别于向线圈输出扭矩的目的，在不同于扭矩输出用电流的相位

上流过电流。也就是施加用以消除反电动势的“弱励磁”（图3）。虽然凭借弱励磁可在某一程度的转

速范围内输出扭矩，但这样仍不足以支持EV及HEV所需要的大转速范围。于是，安川电机导入了

根据转速来切换线圈的QMET驱动技术（图4、5）。当驱动马达的转速达到指定数值时，就会切换

马达线圈，使反电动势降低。这时，在高转速下也无需弱励磁，从而保持高效率。

图3：抑制线圈产生的反电动势

高转速时，为抑制线圈产生的反电动势，施加弱励磁。此外还采用了线圈切换及升

压变频器等手段。

图4：驱动马达线圈的构成

使用低转速用和高转速用两种线圈。低转速时使用整个线圈，而高转速时减少线圈。

图5：线圈切换系统

由切换线圈的半导体开关、逆变器及驱动马达构成。半导体开关有低转速时使用的

开关1（SW1）和高转速时使用的开关2（SW2），根据转速决定打开哪一个。

一般而言，为了克服线圈上产生的反电动势，大多在电池与逆变器之间使用升压变频器。

即使线圈发生超过逆变器电压的反电动势，通过利用升压变频器提高逆变器的直流电压，可由逆变

器施加克服马达反电动势的电压。

抑制反电动势

但是，使用升压变频器时，除了需要提高逆变器中所配的功率半导体的耐压值之外，升压电路

中的功率半导体及电抗器还会产生损失，从而使效率下降。以前的方法是即便效率略有所下降仍使

用升压变频器。

QMET驱动技术可通过切换线圈降低马达电压，因此无需提高逆变器所配功率半导体的耐压值，

只需考虑线圈切换开关中的功率半导体的导通损失，即可防止效率大幅下降。

安川电机以前一直在机床主轴马达驱动等产业用途中，使用带线圈切换功能的马达驱动技术。

为了使该技术适用于EV及HEV，此次将机械式开关换成了半导体（IGBT：Insulated Gate

BipolarTransistor）开关。在切换时间上，将产业用途需要的数百ms缩短到了近于零秒（图6）。

图6：抑制线圈切换时的不适感

线圈切换前（低速）和后（高速）的马达转速变化。由于转速变化小，因此不会给

用户带来不适感。

QMET驱动技术使得用户感觉不到切换线圈的动作，从低速到高速、从高速到低速均可顺利切

换，即使在实际的车辆上，也不易察觉到线圈的切换动作。

至于线圈切换存在的课题，则是电力电缆数量的增加以及随之而来的重量增加及布线复杂化。

要想解决这些课题，需要将线圈切换开关内置到马达中，像操纵普通三相马达一样实现线圈切

换。为了将半导体开关内置到马达中，除了在结构上下工夫，消除马达线圈的热量对半导体元件的

影响之外，还提高了抗振动性。

三种通用马达的最高输出功率分别为47kW、60kW、120kW。通过提供三种功率不同的马达，

可满足多种车型的需要。

磁铁非对称配置

为了提高驱动马达的效率，安川电机对磁铁的形状和配置下了一番工夫（图7）。安川电机将

永久磁铁设计成了呈V字形配置的非对称设计，而非左右对称设置，提高了某一个方向的效率。

这样做的理由是车辆上的驱动马达在旋转时分为前进（正转）和后退（反转）两种状态，两者

相比，前进占大部分使用频率，所以前进时的高效率更受重视。

嵌入的磁铁，其转子和定子之间存在因磁铁磁通量而相互吸引的磁铁扭矩，以及转子芯与定子

芯之间产生的磁阻扭矩。通过改变嵌入磁铁的形状，便可错开这些扭矩的相位。

通过将磁铁扭矩和磁阻扭矩的和、即合成扭矩设定到比对称配置更大的水平，在产生相同扭矩

图7：驱动马达转子中嵌入的永久磁铁的配置

永久磁铁呈V字形嵌入。通常为左右对称（上）嵌入，而此次通过非对称（下）嵌

入提高了效率。

时，便可减小流经线圈的电流。也就是说，尽管程度有限，但通过改变磁铁配置位置能够提高效率

（图8）。（特约撰稿人：山田健二，安川电机电气驱动系统事业推进室技术开发部长）

图8：流经驱动马达的电流扭矩固定时正转（前进时）和反转（后通时）的电流值

比较。通过非对称嵌入磁铁，正转时（加速或减速均）只需投入比反转时少的电流。

【电动汽车拆解】马达（十二）：借助辅助线圈控制磁场，稀土类磁

铁减少一半（上）

日本名古屋工业大学开发出了采用辅助线圈提高输出功率密度的驱动用马达。通过改变在辅助

线圈中流通的直流电的方向，可增强或者减弱永久磁铁的磁通。在马达转速较低时，借助“增强磁场”

来提高输出功率。如果转速升高时，则可通过“减弱磁场”来降低反电动势及铁损，从而提高效率。

名古屋工业大学面向EV（电动汽车）及HEV（混合动力车）用途，开发出了提高输出功率密度

的驱动用马达（图1）。

其特点是，为了提高输出功率密度，不像以往那样大量使用稀土类磁铁，而是采用了在定子一

侧追加辅助线圈，借此补充稀土类磁铁的磁通的构造。在只有丰田于2005年推出的“雷克萨斯

RX400h”驱动用马达的磁铁量一半的情况下，却获得了同等的输出功率密度。

驱动用马达的输出功率及扭矩与稀土类磁铁的量成比例。一般情况下，为了提高输出功率，大

多是增加磁铁用量。然而，保证磁铁在高温下不退磁的添加剂Dy（镝）等稀土类元素大多依赖从中

国进口，因此，除了有不能稳定供给的风险之外，价格也有上涨的可能。

图1 此次开发的驱动用马达的构造

与以往的驱动用马达一样，在转子的外周侧配置定子。此次新增的一点是，以从左

右夹持转子面的方式配置辅助线圈。

采用辅助线圈进行的尝试

新开发的马达与以往的驱动用马达一样，由定子（主线圈）及转子构成。新增加的一点是，在

马达内部追加了可增强或者减弱永久磁铁的磁通的辅助线圈（图2）。辅助线圈以夹持转子表面的

方式进行配置。每台驱动用马达使用2个辅助线圈。虽然稀土类磁铁产生的磁通一直保持恒定，但

通过追加辅助线圈，就能根据转速及扭矩，实现补充磁铁的磁通的“增强磁场”以及相反的“减弱磁场”

（图3）。

图2 驱动用马达的试制机

照片为1/3尺寸的试制机。通过仿真已确认，可以与现有混合动力车的驱动用马达

相同的尺寸产生同等的输出功率。

图3 通过辅助线圈进行的磁场控制

通过对辅助线圈中流通的电流进行控制，以实现增强磁场及减弱磁场。

采用辅助线圈方式的提案，并不是第一次。美国威斯康辛（Wisconsin）大学的等人曾

经发表过此类提案。

威斯康辛大学的方式是，沿定子的圆周方向将辅助线圈配置在定子中。不过，转子及定子的铁

芯不是硅钢板及软磁性复合材料（SMC），而是采用了软铁块。由于是软铁块，因而具有磁通可在

马达的轴方向上流通的优点，但由于时常会产生涡电流，因此效率较差。

而名古屋工业大学在仿真的基础上，不仅成功地借助辅助线圈产生了接近于磁铁磁力3倍的磁

通，还通过减弱磁场将磁铁磁力减小到了零（图4）。图4的纵轴表示辅助线圈产生的磁通的强度。

图4 磁场控制的对比

以（a）实际大小（仿真）、以及（b）1/3比例尺（仿真与实测值）测量了增强磁

场及减弱磁场的数值。增强磁场的理想状态是，在较小的电流下数值增大。减弱磁

场的理想状态是，可在较小的电流下使磁场减小到零（调整率为-100 ％）。

纵轴0为辅助线圈中没有电流流通的状态，只有磁铁的磁通在其中流通。如果纵轴为100（％），

则是可借助辅助线圈产生与磁铁相同的磁通。纵轴为258％时，可产生磁铁的2.58倍的磁通。

同样，-100（％）表示可借助辅助线圈消除磁铁的磁力。横轴表示磁场。较小的电流便能使纵

轴数值发生变化的话，则效率较高。

为了确认仿真的数值，我们在1/3尺寸的马达上将试制品与仿真结果（3维FEM）进行了对比。

其结果是，通过仿真及试制机在增强磁场及减弱磁场时都获得了同等的数值。

马达的工作状态使得磁场发生变化

采用增强磁场及减弱磁场两者中的哪一种，取决于驱动用马达的工作状态。具体而言，刚刚起

动之后等转速较低时由于需要较大的扭矩，因此采用增强磁场（图5）。而在转速较高（高速巡航

时）时，为了与转速以及磁铁的磁通成比例地降低定子产生的反电动势及铁损，则采用减弱磁场。

此时如果能降低反电动势，则可提高效率。

图5 驱动用马达的转速及扭矩图

在较低的转速下，通过增强磁场使其产生较高的扭矩。而在较高的转速下，通过改

为减弱磁场，可降低反电动势及铁损，从而通过效率。

通常，如果马达的转速到达某一特定的数值，扭矩会降低。因此，以往的马达采用了一些特别

对策，例如：为了在转速较高的区段也能产生扭矩，追加升压器提高电压使其运行，或者在较高转

速下减少线圈的数量等。而且，虽然已知反电动势与磁铁的磁通成比例增减，但由于此前不能将反

电动势完全减小到零，因此，效率的提高存在极限。

【电动汽车拆解】马达（十三）：借助辅助线圈控制磁场，稀土类磁铁减少一半（下）

增强磁场及减弱磁场付诸实现

在此次开发的马达中，辅助线圈起到增强磁场及减弱磁场的两种作用（图6）。在减弱磁场时，

可通过施加与磁铁磁力相反方向的磁通，使磁铁的磁通减小到零。其结果是，可降低（包括降低到

零）施加在定子上的反电动势，并可将定子的电流高效率地转换为驱动力。

图6 磁通流的变化:（a）辅助线圈中没有直流电流通时的磁通流（转子的永久磁

铁所产生的）。（b）在辅助线圈中通入直流电，增加了增强磁场的磁通时。（c）

在辅助线圈中与（b）逆向通入电流，增加了减弱磁场的磁通时。

通过马达的磁通，与以往驱动用马达的磁通不同。具体而言，此前的驱动用马达在转子与定子

之间，磁通沿着2维方向通过。而此次的马达在转子与定子间产生3维（包括马达旋转轴的方向）

的磁通。

以往的EV及HEV所采用的转子及定子，为硅钢板堆叠而成的构造。虽然在硅钢板堆叠的方向

（马达的轴方向）上磁通不容易通过，但在薄板内磁通容易通过。因此，以往是以2维的磁通为前

提来设计马达的。

而此次开发的马达由于采用了磁通可3维通过的构造，因此，在马达的厚度方向上磁通也能通

过。磁通2维通过的部位像以前一样由硅钢板堆叠而成，而磁通沿马达的轴方向通过的部位则换成

了SMC（软磁性复合材料）。SMC是对铁粉等具有磁性的粒子表面进行绝缘皮膜处理而成的。虽然

在所有方向上允许磁通通过，但由于进行了绝缘处理，因而具有涡电流损失较少的优点。

允许磁通3维通过的铁芯

与已有的驱动用马达相比，此次马达的构造在转子及定子的构造、永久磁铁的配置、铁芯的配

置及材料、辅助线圈的使用这些方面有所不同。

转子与永久磁铁采用的是由2枚转子夹持圆盘状永久磁铁的构造。虽然转子是由硅钢板堆叠而

成的，但采用了转子的轴附近配置SMC、从而使磁通可沿轴方向通过的构造。

由于2枚转子的相位相互交错重叠在一起，因此，转子产生的磁铁磁通成为贯穿作为定子的主

线圈的交链磁通。如果一次线圈的磁通发生变化、则二次线圈上就会产生电压，交链磁通符合电磁

感应原理。一次线圈为磁铁及辅助线圈，二次线圈相当于主线圈。

假如2枚转子不错开相位而重合在一起，那么，由于转子产生的磁铁磁通与作为定子的主线圈

的磁通不交差，因此，两者的磁通不会成为交链磁通。即使改变一次线圈的磁通，如果一次线圈的

磁通不贯穿二次线圈的话，那么二次线圈的电压仍不会发生变化。

辅助线圈以从左右夹持转子的方式，配置在主线圈端部的内侧。在新开发的马达中，定子（主

线圈）中流通的电流像以前一样为3相交流电，但辅助线圈中流通的电流为直流电。可根据马达的

转速及扭矩的数值，改变辅助线圈中流通的直流电的方向。通过改变辅助线圈的电流方向，即可增

强磁铁的磁通、或者消除磁铁的磁通。辅助线圈被SMC的铁芯覆盖，磁通在辅助线圈的铁芯中通过。

磁铁的磁通有两种

此次开发的马达设想用于辅助线圈中一直有电流流通的用途。不过，即使辅助线圈中没有电流

流通时，被2枚转子夹持的永久磁铁仍会产生磁通。永久磁铁的一个面为N极，相反的面为S极。

其结果是，靠近永久磁铁的N极面的转子整体成为N极，靠近永久磁铁的S极的转子整体成为S极。

从嵌入转子的磁铁的N极流向S极的磁通有两种。一种是（1）按N极的转子→定子（主线圈）

→S极的转子这个顺序流通的磁通。这种磁通成为与主线圈交差的“交链磁通”，因此，是做功的磁通。

另一种是（2）按磁铁的N极→N极侧辅助线圈的铁芯→定子的外侧铁芯→S极侧辅助线圈的铁芯→

磁铁的S极这个顺序流通的磁通。第（2）种磁通不与主线圈产生交链，因此，是不做功的磁通。

当需要增强磁场时，向辅助线圈中通入电流，以使第（1）种磁通流中从转子流向定子的磁通、

以及从定子流向转子的磁通增加。需要减弱磁场时，向辅助线圈中通入电流，以消除磁铁的磁通。

在此次仿真过程中，实现了与2005年推出的雷克萨斯RX400h上配备的驱动用马达相同的尺寸、

以及相同的输出功率密度（最高输出功率为123kW、输出功率密度为3.4kW/kg）。

另外，我们还制作了真机的1/3试制机。在试制机上，将转子与定子之间的空间（Gap）设为

0.3mm，将转子与辅助线圈之间的空间设为0.5mm。虽然转子与辅助线圈之间的空间通过计算为

0.2mm，但考虑到安装误差等，我们将其扩大到0.5mm后进行了组装。

与RX400h的驱动用马达相比，仿真时实现了同等的输出功率密度（表）。

本研究项目是在日本NEDO（新能源产业技术综合开发机构）的委托业务“新一代汽车用高性能

蓄电系统技术开发”的支持下实施的。（特邀撰稿人：小坂卓，名古屋工业大学研究生院副教授）

【电动汽车拆解】再生协调制动器（十四）：通过电控实现再生协调

制动（上）

可提高电动汽车（EV）及混合动力车（HEV）燃效的技术之一，就是制动器。此前以热量的形

式排放掉的能量，EV及HEV可将其作为再生能量加以利用。然而，仅凭再生能量无法产生足够的

制动力（负加速度）。今后，再生制动器与油压制动器协调工作的“再生协调制动器”将成为主流。

美国天合汽车（TRW Automotive，TRW）开发出了油压制动器与再生制动器可协调动作的“再

生协调制动器”，并实现了产品化。当驾驶者的脚从油门踏板上离开或者踩下刹车踏板时，再生协调

制动器启动。

再生制动器将电动汽车（EV）或混合动力车（HEV）的驱动马达作为发电机使用，借此产生制

动力。其特点是，由于在制动时可产生电力使电池充电，因此，与以往的油压制动器相比，能够有

效地利用能量。

天合生产再生协调制动器中的所有控制系统及油压制动器。由于仅凭再生制动器无法产生足够

的制动力，因而通过控制油压制动器，来提供与以往同等的舒适性及制动力。

再生制动器不仅有与驱动马达的ECU（电子控制单元）协调工作的类型，还有不与马达ECU协

调工作的类型。不协调工作型的再生制动器，以采用非电控制动（Brake By Wire）的老式构造的情

况居多。这种再生制动器工作时就像发动机制动器一样，即使踩下刹车踏板也没有反应。

因此，马达ECU与制动器ECU不协调工作型的再生制动器存在着以下局限：不仅不能加大再生

能量，而且，根据油压制动器与再生制动器的启动比率不同，制动时会产生剧烈的负加速度，从而

破坏乘坐舒适度，等等。

再生协调制动器在产生制动力的最初及最后阶段与油压制动器同时工作，借此产生用户希望得

到的制动力（图1、2）。

图1 再生协调制动器工作示例

借助再生制动器及油压制动器两者来达到想要的制动力。

图2 再生制动器及油压制动器的特性

再生制动器存在着负加速度难以保持稳定等问题。通过启动油压制动器，可解决再

生制动器的问题。

像以往的发动机汽车那样，如果油压配管从刹车踏板连接到车轮上，那么，刹车踏板的踩踏力

所产生的油压将直接传导到车轮上。在这种情况下，不能以减去再生制动器制动力后的压力来工作。

因此，再生协调制动器不可避免地要采用电控制动。

以下介绍SCB及ESC-R的构造。

备有2种系统

天河上市有2种再生协调制动器（表）。即“SCB”（Slip ControlBoost）与“ESC-R”。SCB是独立

的、真正意义上的再生协调制动器系统，与此不同，ESC-R是利用了ESC的简易版。

两者的共同点包括: ①制动器工作时为电控制动；②马达ECU与制动器ECU之间进行通信，以

便算出所需的油压制动力；③如果因故障等造成电力供给停止，则进入可确保安全的“故障保护（Fail

Safe）”状态，油压系统从刹车踏板连接到各个车轮上。

两者均在刹车踏板配备了冲程传感器，根据踏板的踩踏量，由油压单元产生油压。

如果电力供给停止，那么，SCB及ESC-R上阻止油压的电磁阀都将打开，油压进入各个车轮，

通过驾驶者对踏板的踩踏力产生制动力。

另外，SCB及ESC-R上的制动器ECU与马达ECU的通信方法也是相同的。首先，制动器ECU

根据驾驶者踩下刹车踏板的量等条件算出所需的制动力。并且将该数值以通信方式发送给马达ECU。

马达ECU再生制动器能够实现的负加速度发送给制动器ECU。制动器ECU通过SCB的蓄能器、或

者ESC-R的油压单元，来实现油压制动器需要的负加速度。

SCB与ESC-R的不同点是，SCB都是以电控制动方式工作，而ESC-R由于与发动机车一样采用

油压系统，因而都是从刹车踏板连接到各个车轮上的。（未完待续，特邀撰稿人：山下惠一，天合

汽车刹车系统工程部门技术主任）

【电动汽车拆解】再生协调制动器（十五）：通过电控实现再生协调

制动（下）

油压系统不同

如果采用ESC-R，那么，发动机车与HEV/EV的大多数油压系统可实现通用化，因此，可以较

低的成本导入再生协调制动器。

SCB由于采用电控制动，因而不能使用发动机车的油压系统（图3）。而是采用通过专用蓄能

器（蓄压室）产生油压的独特系统。在制动器的增压器方面，发动机车利用的是发动机的负压，而

配备SCB的车由于是通过蓄能器产生全部的油压，因此不采用负压单元。

采用ESC-R时，由于可直接利用发动机车的负压单元，因此，大多数部件可与ESC实现通用化

（图4）。

图3 再生协调制动器“SCB”的油压单元

由蓄能器（蓄压室）以及负责向蓄能器输送油压的无刷马达等构成。

图4 再生协调制动器“ESC-R”的油压单元

采用以以往的ESC为原型、提高了油压性能的油压单元。由于无需大幅变更制动器

的油压系统，因而设想应用于小型车等低价格车。

负责阻止油压的部件方面，SCB为位于油压单元中的踏板模拟器，ESC-R为独立的踏板模拟器。

ESC-R的踏板模拟器之所以是独立的，是为了实现灵活的配置。根据所开发的车型，可将模拟

器内置在油压单元中，或者配置在踏板与油压单元之间。

SCB的油压系统保持分离状态

天合于2007年实现了SCB的产品化。美国通用汽车在“Chevrolet Tahoe/GMC Yukon”、“Cadillac

Escalade”、“Chevrolet Silverado/GMC Sierra”及“Saturn Vue”等车型上采用了天合的SCB。

通用将于2010年底开始量产的插电式混合动力车“Volt”预计也将采用SCB。如果去除Volt，那

么所有这些车型都备有发动机车型及混合动力车型，混合动力车型都采用SCB（图5）。

图5 采用SCB的混合动力车

（a）通用汽车将于2010年年底开始量产的插电式混合动力车“Volt”。（b）通用汽

车的其他混合动力车型。

SCB制动器的油压配管分为从刹车踏板到主缸（Master cylinder）、以及从蓄能器到各个车轮这

两种。在蓄能器的旁边配置了无刷马达，通过无刷马达的运转使蓄能器的油压保持稳定。产生油压

的机制，是与ESC相同的活塞式。

SCB虽然平时为电控制动，但当电气系统被切断时，则会连接上油压系统。如果电源供给停止，

那么，在主缸前面阻止油压的电磁阀会打开。

SCB的问题在于成本。这是因为采用了不同于只有发动机车型的刹车系统的缘故。

今后，预计全球市场上降低了成本的小型EV/HEV将会增加。当然，只有发动机的车型以及

EV/HEV两者具备的车型都将增多。考虑到SCB在成本这一点上不适用于低价格的车辆，天合目前

正在推进重视与发动机车的部件通用性的ESC-R的开发。计划在2013～2014年实现实用化。

ESC-R以已有的ESC为原型进行设

虽然ESC-R的油压单元以ESC的油压单元为原型进行改进，但大部分部件可与ESC通用。油压

系统也与发动机车一样，一般情况下从主缸连接到各个车轮（图6）。

当电池充满电时等没有必要进行再生时，由负压增压器与借助刹车踏板的踩踏力产生制动力的

普通油压制动器来产生制动力。

如果是只有发动机的车型以及具备HEV/EV模式的车型，只需变更冲程模拟器以及ESC的油压

单元即可。

此次介绍的ESC-R为配合普通负压增压器使用的类型，省去增压器的ESC-R的开发也在推进之

中。

目前，天合的制动器业务正面向电控制动用途积极推进（图7）。现在的刹车系统如果去除再

生制动器，以油压制动器为主基本上都实现了电控制动。将来可能会发展成通过配置在制动钳

（Caliper）上的马达来产生制动力的电控制动器。到那时，就不再需要油压配管了。

目前，泊车制动器已凭借配置在制动钳上的马达实现了实用化，天合计划通过强化马达的性能，

来使各个车轮的制动器实现电控化。如果能抛开油压制动器，那么，汽车外观设计的自由度将会提

高。（特邀撰稿人：山下惠一，天合汽车刹车系统工程部门技术主任）

图6 ESC-R的系统构成

可利用组装了ESC的老式刹车系统。不仅在油压系统中追加了踏板模拟器，ESC的

油压单元还采用了油压性能更高的型号产品。

图7 制动器的技术进步

目前，采用除再生制动器以外、以油压制动器为基础的设计。将来，将不使用油压，

而是通过在制动钳上配置马达来产生制动力。汽车的设计性能将会提高。

【电动汽车拆解】马达（十六）：用电磁铁取代永久磁铁的驱动马达（上）

三菱电机在日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的委托下开发出了不使用稀土类磁铁

的驱动马达。内侧为转子、外侧为定子的构造与已有的混合动力车（HEV）用驱动马达相同。其特

点是作为使转子产生磁通量的手段，采用了专用线圈而不是以往的钕类磁铁。

三菱电机试制出了不使用钕类磁铁的驱动用马达（图1），用电磁铁取代了嵌入转子的钕类永

久磁铁。

图1：爪极型马达试制品的转子:两次试制的产品。不使用稀土类磁铁，目标是实现

与已有的混合动力车（HEV）同等的输出功率密度及转矩密度。

开发目标是混合动力车（HEV）使用的驱动马达。HEV用马达通常配备在发动机附近，要求具

有高耐热性，此外还与发动机一同安装在发动机室内，需要缩短轴长。新型马达解决了这些课题。

此次开发的马达采用发动机汽车的发电机所采用的、被称为爪极（Claw Pole）型的转子构造。

转子的各极形成了爪与爪交错重叠的构造。

爪极型马达并未像已有的HEV用马达那样在转子内部嵌入稀土类磁铁，而是在转子内部配置了

专用线圈“励磁线圈”（图2及表）。励磁线圈在转子磁极内部围绕着中心轴配置。

省去滑环

不过，普通发电机采用转子和励磁线圈同时旋转的构造，

因此需要配备滑环和电刷。而此次不同，转子与用于卷取线

圈的底座是分离的。线圈和线圈底座固定在马达机架上，所

以即使转子旋转，线圈和线圈底座也不会转动。由于可省去

滑环和电刷，因此不存在如何来确保电刷寿命的问题。另外，

通过使用供电线来通过大电流，还可瞬间产生高转矩。

此次开发的马达只是转子的技术提案，因此定子能够与

集中绕组及分布绕组等各种绕线方式相组合。

图2：马达试制品的构造:在转子内部配备专

用线圈“励磁线圈”，通过直流电流。转子的

磁极呈N极与S极交错排列状态。

从转子的N极发出的磁通量在穿过定子的绕线后再返回至转子上相邻的S极。如果缩短转子表

面的爪状磁极间的空隙，励磁线圈产生的磁通量就无法充分到达定子，而在转子内部发生短路，因

此需要一定程度的间隙。不过，间隙过大的话，磁极表面的面积就会减小，使转矩降低，所以需要

确保适当的数值。

在开始开发的2008年度通过的第一次试制中通过加大发电机确认了基本性能，对实现目标有了

一定的把握。不过，只是单纯加大发电机的话，用于HEV时性能就会存在极限。因此，2009年度

进行了第二次试制，并计划在2011年度完成最终试制。

在性能上是力争达到与最大输出功率为10kW，最大扭矩为100N·m级别的弱HEV用马达同等

的性能。计划在最终试制前提高至与已有HEV马达相当的水平，即输出功率密度为1kW/kg，扭矩

密度为5N·m/kg（图3）。

图3：开发目标

以实现与已有HEV同等的转矩密度（5N·m/kg）及输出功率密度（1kW/kg）为目

标推进开发。（引自日本能率协会）

第一次试制时内芯采用铁块

第一次试制的爪极型马达与发电机一样用铁块制成转子芯。转子芯每隔一极组合两块爪状部件

（图4）。两块转子芯部件通过非磁性环连接。

图4：转子的构成部件:重叠两块转子部件，在内部配置线圈。（引自日本能率协会）

转子芯被固定在输出轴上产生转矩，只有成为励磁线圈底座的部分经由间隙与转子芯体分离。

励磁线圈基座被固定在马达机架等外部构造部件上。励磁线圈基座的作用是在支撑圆筒状励磁线圈

的同时，通过材质采用磁性材料来承当励磁线圈的磁路。线圈中通过直流电（DC）的话，转子就会

产生固定方向的磁通量。该磁通量取代了永久磁铁。第一次试制时的主要指标如下。定子的轴长为

35mm，外径为260mm。转子的极数为32，外径为218mm，轴长为60mm。

第一次试制由于内芯发生磁饱和，因此磁通量的提高存在极限（图5）。经模拟显示，转子端

图5：第一次试制时出现的磁饱和

（a）励磁磁动势在3000AT附近时磁通量出现饱和。（b）励磁磁动势在2000～

3000AT时间隙磁通量密度也存在极限。（引自日本能率协会）

线圈的励磁磁动势达到3000AT（ampere-turn，安匝数）的话，产生的磁通量（Wb）就会增加，而

励磁磁动势达到3000AT以上时，即使增加电流及绕线圈数，磁通量也不会增加。

从磁通量密度（T：特斯拉＝Wb/m

2

）来看，第一次试制时的平均磁通量密度在励磁磁动势超过

3000AT时，即使增加线圈电流及绕数圈数，也只能最多达到0.5T左右，低于普通钕磁铁马达产生

的0.6T。

【电动汽车拆解】马达（十七）：用电磁铁取代永久磁铁的驱动马达（下）

第二次试制使用铁氧体磁铁

第二次试制为了抑制第一次试制时最成问题的磁饱和，改为了在转子上配置铁氧体磁铁的构造

（图6）。

首先，为了减轻磁饱和，采用了通过铁氧体磁铁消除励

磁线圈发生的部分磁通量的构造（图7）。

励磁线圈产生的磁通量包括（1）与定子的磁通量交链，

产生旋转转矩的主磁通量，（2）对旋转转矩无贡献的泄漏磁

通量。

两种磁通量沿同一方向穿过线圈周围。如果能够抑制泄

漏磁通量的话，便可增加相应量的主磁通量，提高转子与定

子间间隙部分的磁通量密度。

与主磁通量相比，泄漏磁通量只有其数分之一左右。对

此，第二次试制采取与励磁线圈产生的磁通量反向产生磁通

量的方式配置了铁氧体磁铁。

图6：第二次试制时嵌入铁氧体磁铁

爪极型马达的基本构造与第一次试制时相

同。通过在极与极之间嵌入铁氧体磁铁来消

除励磁线圈的磁通量中对转矩无贡献的泄漏

磁通量。各极采用层叠钢板，由此来抑制转

子表面产生的涡电流。

由于铁氧体磁铁消除了线圈的泄漏磁通量，因此励磁线圈发出的磁通量可从转子芯有效传递到定子，

从而使转子与定子间间隙部分的磁通量密度得到增加。

图7：铁氧体磁铁的作用

在励磁线圈产生的主磁通量（实线）和泄漏磁通量（虚线）中，朝着消除泄漏磁能

量的方向配置了铁氧体磁铁。可增加主磁通量。

第二次试制将励磁磁动势增加到了4000AT，使平均磁通量密度提高至约0.6T，达到了与采用

钕类磁铁的马达相同的程度（图8）。

利用铁氧体磁铁增加转矩

对嵌入铁氧体磁铁时与不嵌入铁氧体磁铁时转子与定子间产生的转矩进行比较（图9）后显示，

在增加定子的电流密度的情况下，嵌入磁铁时的平均扭矩更高。即使是简单的层叠构造的磁极，通

过嵌入磁铁也可获得与复杂的爪状磁极嵌入磁铁时同等的性能，使运转效率得到提高。

图9：有无铁氧体磁铁时的平均转矩比较:有磁铁时转矩比无磁铁时更高。有磁铁的

话，块状爪极与层叠爪极的转矩性能为同等水平。（引自日本能率协会）

以定子的分布绕组和集中绕组进行比较的话，平均转矩

几乎没有差异（图10）。而集中绕组除了能够提高线圈占积

率外，还可缩短线圈端部，因此集中绕组是更合适的选择。

第二次试制的主要指标如下。定子的外径为260mm，轴

长为40mm，槽数为36。转子的极数为24，外径为185mm，

轴长为70mm。

与第一次试制相比，最大变更点是追加了铁氧体磁铁，

图10：集中绕组与分布绕组的比较

但此外还采取了将磁极改为容易量产的形状，以及通过追加

集中绕组与分布绕组显示出大体相同的性

层叠钢板来抑制转子表面产生的涡电流等对策。

能。（引自日本能率协会）

第二次试制的课题是转子的重量以及低速大转矩区的效

率。与同等性能的已有HEV用马达相比，转子的重量为其两倍，因此，为了完成最终试制，对穿过

内芯的磁通量流以及内芯的构造下了一番工夫，实现了轻量化。

从效率看，在中速中转矩（巡航时）的25N·m/3000rpm下，爪极型马达达到了89％，接近钕

类磁铁马达的90％（图11、12）。而在设想低速大转矩（加减速时）的65N·m/1000rpm下，爪极

型马达的效率仅为83％，与钕类磁铁马达石的91％存在较大差距。

图11：试制机的转矩和效率 图12：试制机的效率比较

10kW输出功率下与模拟值（实线）对比的

与使用已有稀土类磁铁的马达相比，要求提

实测值。最大转矩为100N·m。（引自日本高低速大转矩下的效率。（引自日本能率协

能率协会） 会）

与使用钕类磁铁的驱动马达相比，爪极型马达将流过转子端线圈的电流算作损失，因此效率较

差。另外，爪极型马达在低速区时励磁线圈的铜损较大，要完成最终试制的话，还须努力使之得以

改善。（特约撰稿人：三菱电机电机系统技术部部长竹内敏惠）