尼桑电机的可变磁通结构及可变磁通的关键

车用驱动永磁同步电机，即强调低速高转矩，又强调高速高功率，因此存在一对跷跷板矛盾。

从低速爬坡的角度出发，需要大的转矩，而不希望电流过大，那就需要提高永磁磁链，获得大转矩系数（单位电流产生转矩的能力）。

但是如果永磁磁链太大了，在高速时反电动势会高过供电电压的，无法输出功率。幸好后来发明了弱磁技术，通过电枢绕组产生去磁磁场分量，去抵消掉永磁体产生的磁链。但这会带来永磁体退磁的风险，而且过多的去磁电流，不但不做功，还会产生额外的铜耗，降低效率。

其实这种矛盾是所有追求高转速范围工作电机的一个通病，没办法的，谁叫你低速和高速的范围相差极大啊。对于永磁电机——一个励磁磁场不可调节的系统，这个问题就更突出了。如果不想放弃永磁电机这条技术路线，就一定要解决这个问题。很自然会想到，如果能实现磁通可变，在低速的时候用高磁通，高速的时候用小磁通，不就把这个扣解开了吗，这就是尼桑电机公司研究的技术路线。

尼桑电机的可变磁通结构

这是一款6极45槽的扁线电机，定子外径200mm，最大转矩280Nm，最高转速12000rpm。它的磁钢有三种磁化状态。100%磁化时，最大转矩 280NM，但转速只能到7200rpm，而75%磁化时，转矩224Nm，转速可达12000rpm。50%磁化时，最大转矩下降了一半，但工作转速已经远超12000rpm。如此一台电机就相当于三台特性不一的电机，不同的转速，呈现不同的特性。

这种变磁通的特性使它的高效区间扩大了。这是因为这种电机做到了反电动势可调，能成功回避弱磁问题。一旦反电动势达到电压限幅值，就调低永磁励磁能力，如此不但不需要额外的弱磁电流了，而且能够保证在任何速度段，都能给出最合适的反电动势，这样电机在很宽的范围内能保证高效。硬是把永磁电机玩出了，电励磁电机的感觉。

现在新的问题马上来了：“他们是怎么做到了？”

可变磁通的关键

其实可变磁通的原理很简单。就是利用一些低矫顽力软磁材料的工作点可塑性。比如所铝镍钴材料，它的剩磁大概是钕铁硼的80%，而矫顽力却只有十分之一。但它有一个好处，就是工作点是可塑的。以一个启动过程为例，当刚开始启动时，铝镍钴的工作性能是100%完整的，位于A工作点。当速度上升到中速段，需要调节反电动势时，定子绕组给转子磁钢一个瞬间退磁电流，铝镍钴的工作点就下降到了B，即便将这个瞬间退磁电流去掉，磁钢的工作点也不可能回到A了。也就说磁钢记忆住了B工作点，磁钢的供磁能力就只有B的水平。当到了高速段，还可以给一个更大的退磁电流，让工作点到达C甚至D，磁钢都会记忆住这个工作点。当从高速往下调整时，是一个反向充磁过程，电机给一个足够大的增磁电流（磁化电流），磁钢的工作点就会恢复到E,或者G点的水平。如此可实现磁通周期往复变化，采用这种技术的电机就叫着记忆电机。

那为什么钕铁硼材料不能做到记忆的效果呢？ 这是由两个原因决定的。

第一：钕铁硼材料的矫顽力太高，靠电机的的磁场没法轻易把它永久性去磁化。一定要去磁可以把转子拉出来，放在专用充磁头内，靠瞬间大电流放电，产生2倍以上材料矫顽力强度的磁场才可以（就是转子整体充磁机，即可充磁也可以退磁）。

第二：钕铁硼材料的B-H曲线更像是一条直线，而铝镍钴等软磁材料的B-H曲线更像是一个曲线，有一个明显的拐点。 当磁钢受到退磁磁场，工作点在拐点以上直线部分时，退磁是可逆的。这就决定了钕铁硼磁钢可以记忆的工作点很少，不适合做记忆磁材。

其它可变磁通结构

当然还存在其它变磁极结构。下面介绍一种升级版的混合式变磁通结构。为什么要混合？因为铝镍钴、铁氧体等软磁材料磁能积太低，无法保证功率密度。混合式结构就是将钕铁硼和铝镍钴材料混合起来应用，这样一部分磁通固定，提供较强的背景磁场，另外一部分磁通是可调的。在高功率密度和宽工作区域两个指标之间作了一个折中。

上图提供了两种混合结构，上面是串联式，下图是并联式。下面那种结构更成熟，这是因为铝镍钴材料和钕铁硼材料在转子侧磁路独立，给铝镍钴退磁时，不需要克服钕铁硼的矫顽力。而且这种结构还有一定的磁阻转矩，提高了转矩密度。

东芝公司开发成功了一款并联式磁极结构，如下图所示，两翼为可变磁场方向的铝镍钴磁钢，底部为不变磁场方向的钕铁硼磁钢，电机有两种大的工作状态，一种是增磁模式，铝镍钴的磁场方向和钕铁硼的相同，另外一种是消磁模式，铝镍钴的磁场方向和钕铁硼的相抵消。如此电机的磁通，可以在大范围内调节。

可变磁通结构的问题

可变磁通结构在工业电机中已有应用，但在车用主驱领域离产品化还有一定距离，主要的问题有三个：

转矩密度离普通不变磁通电机还有一定差距，需要更强的铝镍钴材料开发成功；

在低速大电流工况时，稀土材料都面临退磁的风险，加入的软磁材料能否起到增磁作用值得怀疑；

在什么工况下该退磁，退磁到什么程度，需要额外的控制算法，系统复杂度提高；

总结

记忆电机虽然不是新技术，但是在新的应用需求前，它正在焕发出旺盛的生命力。是的，虽然现在还有很多问题需要解决，但不用太急功近利，成功的创新就是要在大量试错的基础上建立起来的。