尼桑電機的可變磁通結構及可變磁通的關鍵

車用驅動永磁同步電機，即強調低速高轉矩，又強調高速高功率，因此存在一對蹺蹺板矛盾。

從低速爬坡的角度出發，需要大的轉矩，而不希望電流過大，那就需要提高永磁磁鏈，獲得大轉矩系數（單位電流產生轉矩的能力）。

但是如果永磁磁鏈太大了，在高速時反電動勢會高過供電電壓的，無法輸出功率。幸好后來發明了弱磁技術，通過電樞繞組產生去磁磁場分量，去抵消掉永磁體產生的磁鏈。但這會帶來永磁體退磁的風險，而且過多的去磁電流，不但不做功，還會產生額外的銅耗，降低效率。

其實這種矛盾是所有追求高轉速范圍工作電機的一個通病，沒辦法的，誰叫你低速和高速的范圍相差極大啊。對于永磁電機——一個勵磁磁場不可調節的系統，這個問題就更突出了。如果不想放棄永磁電機這條技術路線，就一定要解決這個問題。很自然會想到，如果能實現磁通可變，在低速的時候用高磁通，高速的時候用小磁通，不就把這個扣解開了嗎，這就是尼桑電機公司研究的技術路線。

尼桑電機的可變磁通結構

這是一款6極45槽的扁線電機，定子外徑200mm，最大轉矩280Nm，最高轉速12000rpm。它的磁鋼有三種磁化狀態。100%磁化時，最大轉矩 280NM，但轉速只能到7200rpm，而75%磁化時，轉矩224Nm，轉速可達12000rpm。50%磁化時，最大轉矩下降了一半，但工作轉速已經遠超12000rpm。如此一臺電機就相當于三臺特性不一的電機，不同的轉速，呈現不同的特性。

這種變磁通的特性使它的高效區間擴大了。這是因為這種電機做到了反電動勢可調，能成功回避弱磁問題。一旦反電動勢達到電壓限幅值，就調低永磁勵磁能力，如此不但不需要額外的弱磁電流了，而且能夠保證在任何速度段，都能給出最合適的反電動勢，這樣電機在很寬的范圍內能保證高效。硬是把永磁電機玩出了，電勵磁電機的感覺。

現在新的問題馬上來了：“他們是怎么做到了？”

可變磁通的關鍵

其實可變磁通的原理很簡單。就是利用一些低矯頑力軟磁材料的工作點可塑性。比如所鋁鎳鈷材料，它的剩磁大概是釹鐵硼的80%，而矯頑力卻只有十分之一。但它有一個好處，就是工作點是可塑的。以一個啟動過程為例，當剛開始啟動時，鋁鎳鈷的工作性能是100%完整的，位于A工作點。當速度上升到中速段，需要調節反電動勢時，定子繞組給轉子磁鋼一個瞬間退磁電流，鋁鎳鈷的工作點就下降到了B，即便將這個瞬間退磁電流去掉，磁鋼的工作點也不可能回到A了。也就說磁鋼記憶住了B工作點，磁鋼的供磁能力就只有B的水平。當到了高速段，還可以給一個更大的退磁電流，讓工作點到達C甚至D，磁鋼都會記憶住這個工作點。當從高速往下調整時，是一個反向充磁過程，電機給一個足夠大的增磁電流（磁化電流），磁鋼的工作點就會恢復到E,或者G點的水平。如此可實現磁通周期往復變化，采用這種技術的電機就叫著記憶電機。

那為什么釹鐵硼材料不能做到記憶的效果呢？ 這是由兩個原因決定的。

第一：釹鐵硼材料的矯頑力太高，靠電機的的磁場沒法輕易把它永久性去磁化。一定要去磁可以把轉子拉出來，放在專用充磁頭內，靠瞬間大電流放電，產生2倍以上材料矯頑力強度的磁場才可以（就是轉子整體充磁機，即可充磁也可以退磁）。

第二：釹鐵硼材料的B-H曲線更像是一條直線，而鋁鎳鈷等軟磁材料的B-H曲線更像是一個曲線，有一個明顯的拐點。 當磁鋼受到退磁磁場，工作點在拐點以上直線部分時，退磁是可逆的。這就決定了釹鐵硼磁鋼可以記憶的工作點很少，不適合做記憶磁材。

其它可變磁通結構

當然還存在其它變磁極結構。下面介紹一種升級版的混合式變磁通結構。為什么要混合？因為鋁鎳鈷、鐵氧體等軟磁材料磁能積太低，無法保證功率密度?；旌鲜浇Y構就是將釹鐵硼和鋁鎳鈷材料混合起來應用，這樣一部分磁通固定，提供較強的背景磁場，另外一部分磁通是可調的。在高功率密度和寬工作區域兩個指標之間作了一個折中。

上圖提供了兩種混合結構，上面是串聯式，下圖是并聯式。下面那種結構更成熟，這是因為鋁鎳鈷材料和釹鐵硼材料在轉子側磁路獨立，給鋁鎳鈷退磁時，不需要克服釹鐵硼的矯頑力。而且這種結構還有一定的磁阻轉矩，提高了轉矩密度。

東芝公司開發成功了一款并聯式磁極結構，如下圖所示，兩翼為可變磁場方向的鋁鎳鈷磁鋼，底部為不變磁場方向的釹鐵硼磁鋼，電機有兩種大的工作狀態，一種是增磁模式，鋁鎳鈷的磁場方向和釹鐵硼的相同，另外一種是消磁模式，鋁鎳鈷的磁場方向和釹鐵硼的相抵消。如此電機的磁通，可以在大范圍內調節。

可變磁通結構的問題

可變磁通結構在工業電機中已有應用，但在車用主驅領域離產品化還有一定距離，主要的問題有三個：

轉矩密度離普通不變磁通電機還有一定差距，需要更強的鋁鎳鈷材料開發成功；

在低速大電流工況時，稀土材料都面臨退磁的風險，加入的軟磁材料能否起到增磁作用值得懷疑；

在什么工況下該退磁，退磁到什么程度，需要額外的控制算法，系統復雜度提高；

總結

記憶電機雖然不是新技術，但是在新的應用需求前，它正在煥發出旺盛的生命力。是的，雖然現在還有很多問題需要解決，但不用太急功近利，成功的創新就是要在大量試錯的基礎上建立起來的。