純電動汽車（EV）驅動馬達的高轉速化競爭已拉開序幕。豐田等日本國內企業聯盟已開始開發5萬rpm（每分鐘轉數）這一世界最快的産品。馬達轉速越快，越能實現小型化，還能減少材料的使用量。在銅等純電動汽車資源的供不應求隱憂加劇的背景下，繼提高車輛性能之後，節省資源或將成為馬達的競爭焦點。

 

       5萬rpm的馬達由日本汽車動力傳動技術研究協會（TRAMI）推進開發。除了豐田之外，日産汽車、本田和愛信（Aisin）等合計11家企業加入TRAMI。

 

       TRAMI運營委員長、豐田的動力傳動功能開發部調查主任藤戶宏透露，將在2025年度之前開發實現5萬rpm所需的基礎技術。目前的純電動汽車用馬達以1萬rpm左右為主流。為了提高至5倍，將確定所需材料的強度和馬達的運作等，用於2025年度以後開發的分析模型。

 

       TRAMI的成員可以利用這個模型，根據底盤等各個性能參數，設計出實際的馬達。

 

 

       此外，愛知製鋼也另外試製了把自主開發的磁鐵粉末和樹脂結合起來的3萬4000rpm的馬達。力爭2030年前後量産。

 

       歐美企業在高轉速化方面領先

 

       在純電動汽車馬達的高轉速化研究方面打頭陣的是歐洲。歐盟的「ModulED」計劃有瑞士的逆變器企業BRUSA Elektronik AG和比利時的變速箱企業邦奇動力（Punch Powertrain）等參加。自2017年至2020年期間研究和試製了2萬2500rpm的高轉速馬達。

 

       在應用於純電動汽車方面，美國特斯拉領跑。2021年上市的跑車「Model S Plaid」採用超過2萬rpm的馬達，實現了超過最高時速300公里的水準。

 

       最近高轉速化成為焦點，不僅是為了推動純電動汽車的高速化，還因為能實現馬達的小型化，有助於節省資源。

  

    

      馬達的輸出功率由扭矩和轉速的乘積決定，越是實現高轉速，越能減小扭矩。扭矩的值可進一步分解為馬達的半徑和施加於馬達的力。只要降低扭矩，即可使馬達變小，或者為減少用電量而令電線變細。

 

 

       愛知製鋼認為，如果是3萬4000rpm的馬達，與一般産品相比，可將整體的品質減少4成。具體來説，可將電磁鋼板的使用量減少75％，銅和磁鐵分別減少7成。如果是5萬rpm，則有可能進一步減少。

 

       馬達資源面臨地緣政治風險

 

       「到2030年前後，純電動汽車將廣泛增加，可能發生資源問題」，正如愛知製鋼的開發本部長野村一衛所指出的那樣，在純電動汽車領域，除了電池之外，用於馬達的零部件和原材料也面臨供應隱憂。

 

       美國調查公司標普全球公司認為，無取向性電磁鋼板可能在2025年以後出現短缺，到2027年短缺逾35萬噸，到2030年短缺逾90萬噸。這是因為在需求增加的同時，能生産和加工高品質電磁鋼板的企業有限。

 

       銅也可能在中長期出現短缺。有觀點認為，每輛純電動汽車的銅使用量約為80公斤，達到引擎汽車的約4倍。用於永久磁鐵的釹和鏑等稀土的産地偏重於中國等。

 

       TRAMI的藤戶表示，「爭奪資源的地緣政治風險將提高，有可能無法採購到馬達材料。將瞄準5萬rpm這一高難度目標，應對資源爭奪戰」。

 

       還需要高強度的零部件和新的減速構件

 

       實現5萬rpm面臨的課題也很多。首先是渦流損耗。渦流損耗指的是馬達鐵芯內産生的無益電流導致的電力損耗。轉速越高，損耗也越大，馬達效率將隨之惡化，因此需要在磁鐵的形狀和配置等方面下功夫。

 

       馬達的轉速和扭矩借助採用功率半導體的電力開關來控制。越是高轉速，電壓越高，如果是5萬rpm，可達到數千伏，比目前提高數倍。作為功率半導體的材料，或需要與現行的矽相比更耐高壓的碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）等。

 

       隨著高轉速化使得離心力加大，還需要提高馬達零部件的強度。能嵌入高轉速馬達的減速器的減速比加大，這也成為課題。根據減速比，齒輪等也容易變得更大，縮小馬達的效果就會下降。

 

       純電動汽車馬達目前正在陷入成本競爭。雖然門檻很高，但如果能實現高轉速，或有助於作為「遊戲規則改變者」改寫行業的勢力版圖。

 

       日本經濟新聞（中文版：日經中文網）清水直茂

 

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