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東海大學(xué)通過功率為100W左右的直流馬達實現(xiàn)96%以上的效率

發(fā)布時間:2009-04-10 來源:技術(shù)在線

產(chǎn)品特性:
  • 轉(zhuǎn)換效率在100W功率附近高達96.5%
  • 在50~200W之間改變功率時也可維持93~96%的轉(zhuǎn)換率
  • 微控制器采用了156mW低功耗產(chǎn)品
  • 成本比效率為80%左右的普通馬達高近20倍
應(yīng)用范圍:
  • 冰箱、汽車及電動摩托車等廣泛領(lǐng)域
日本東海大學(xué)工程學(xué)系工程學(xué)專業(yè)教授木村英樹領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)出了將電力轉(zhuǎn)換為馬達功率時效率可達到96%以上的DC(直流)無刷馬達。“其中用到的高效率手法也可應(yīng)用于電動汽車的高輸出功率馬達上”(木村)。

此次開發(fā)的馬達為額定功率約100W”的直流馬達,馬達的磁芯采用鐵類非晶態(tài)金屬。轉(zhuǎn)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。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(zhuǎn)換率,這也是一大特點。

東海大學(xué)曾于2003年開發(fā)出了效率達到93%的直流馬達。并與特殊電裝、日本貴彌功等公司合作實現(xiàn)了產(chǎn)品化。

此次馬達的高效率是通過找出導(dǎo)致能量損失的原因并對其中幾個加以改善而實現(xiàn)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(dǎo)致的損失(銅損)、(3)磁芯中渦電流導(dǎo)致的損失(鐵損)、(4)旋轉(zhuǎn)軸的摩擦及空氣阻力等導(dǎo)致的損失(機械損、風(fēng)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,微控制器采用了156mW低功耗產(chǎn)品。另外,逆變器也采用了僅由nMOSFET構(gòu)成的產(chǎn)品。原因是“nMOSFET的導(dǎo)通電阻比pMOSFET小”(木村)。

(2)銅損通過優(yōu)化卷線的粗細及圈數(shù)得以降低。銅損一般在流經(jīng)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采用鐵類非晶態(tài)金屬控制到了低水平。原因是“非晶態(tài)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(fēng)損方面,“經(jīng)證實,只需為馬達加上外罩,阻斷空氣進入,即可降低損失”。

難點在于制造成本較高
該馬達的難點是:在效率非常高的同時,制造成本也很高。因此,目前僅限于比賽用節(jié)能車等不考慮價格而重視高效率的用途。采用2003年開發(fā)產(chǎn)品的節(jié)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)。

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

但是,鐵材料本身成本并不高,因此通過使制造工序?qū)崿F(xiàn)自動化便可進行量產(chǎn),這樣“便有望以僅為目前14~15的成本來制造”(木村)。

如果刨除成本較高這一點,該馬達可憑借功率及轉(zhuǎn)速等優(yōu)勢,應(yīng)用于冰箱、汽車及電動摩托車等廣泛領(lǐng)域。高輸出功率“基本上可通過加大馬達來實現(xiàn)。功率提高后,效率也容易提高”(木村)。
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