電動(dòng)汽車電機(jī)材料

1、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)材料0 引言 電動(dòng)汽車是以電驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)的、安全、經(jīng)濟(jì)、清潔的綠色交通工具，在能源、環(huán)境等方面具有獨(dú)特的優(yōu)越性和競(jìng)爭(zhēng)力，而且能夠方便地采用現(xiàn)代控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)其機(jī)電一體化，具有廣闊的發(fā)展前景。圖1 特斯拉電動(dòng)汽車和比亞迪電動(dòng)汽車1 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，是決定汽車運(yùn)行各項(xiàng)性能指標(biāo)的主體與內(nèi)在根據(jù)。目前，電動(dòng)汽車電機(jī)主要有直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、永磁無刷電機(jī)以及開關(guān)磁阻電機(jī)等。1.1 直流電機(jī) 早期開發(fā)的電動(dòng)汽車多采用直流電機(jī)，其控制裝置簡(jiǎn)單，成本低。電動(dòng)汽車最常采用的是他勵(lì)直流電機(jī)和串勵(lì)直流電機(jī)。但由于直流電機(jī)存在換向器和電刷，它們之間有機(jī)械磨損，需要定期維護(hù)

2、。換向器和電刷之間的機(jī)械損耗、接觸損耗以及電損耗使得直流電機(jī)的效率較低。直流電機(jī)在現(xiàn)代高性能電動(dòng)汽車上的應(yīng)用正在較少，但仍有一些電動(dòng)汽車在應(yīng)用，例如，東京大學(xué)UOT電動(dòng)汽車，馬自達(dá)公司BANGO電動(dòng)汽車，意大利菲亞特公司900E/E2電動(dòng)汽車，我國的陸駿電動(dòng)汽車。圖2直流電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1.2 感應(yīng)電機(jī) 20世紀(jì)90年代后，交流電機(jī)在電動(dòng)汽車的應(yīng)用得到迅速發(fā)展，較為成熟的是三相鼠籠式異步電機(jī)，簡(jiǎn)稱感應(yīng)電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，價(jià)格低廉。功率可以從零點(diǎn)幾瓦到幾千瓦，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)1000012000r/min?？梢圆捎每諝饫鋮s和液體冷卻方式，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好，可實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。但感應(yīng)電機(jī)耗電量大

3、、轉(zhuǎn)子易發(fā)熱，控制系統(tǒng)復(fù)雜，相對(duì)永磁無刷電機(jī)，感應(yīng)電機(jī)效率和功率偏低，正在逐漸被性能更加優(yōu)越的永磁無刷電機(jī)代替。應(yīng)用感應(yīng)電機(jī)的汽車有美國特斯拉汽車，美國克萊斯勒公司的A-Class Electric 電動(dòng)轎車，日本Nissan 汽車公司的FEV電動(dòng)轎車，法國雷諾汽車公司的Clio Electric 電動(dòng)汽車等。圖3 感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1.3 永磁無刷電機(jī)永磁無刷電機(jī)可分為兩類：一類是具有正弦波電流的永磁同步電機(jī)，另一類是具有矩形脈沖波電流的無刷直流電機(jī)。兩種電機(jī)，轉(zhuǎn)子都是永久磁體，電機(jī)轉(zhuǎn)子不需要電刷和勵(lì)磁繞組，通過定子繞組換相產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。永磁無刷電機(jī)可靠性高，輸出功率大，與相同轉(zhuǎn)速的其他電機(jī)

4、相比具有體積小，質(zhì)量輕，便于維修，高效率，高功率因數(shù)等特點(diǎn)。由于轉(zhuǎn)子沒有勵(lì)磁繞組，無銅耗，磁通小，在低負(fù)荷時(shí)鐵耗很小，因此，永磁無刷電機(jī)具有高的“功率/質(zhì)量”比，可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)由于沒有轉(zhuǎn)子的磨損且定子繞組是主要的發(fā)熱源，易于冷卻。轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)小，電機(jī)動(dòng)態(tài)特性好，極限轉(zhuǎn)速和制動(dòng)性能都由于其他類型電機(jī)。但永磁無刷電機(jī)的功率范圍較小，一般最大功率為幾十千瓦，同事在高溫、振動(dòng)和過高電流作用下，會(huì)發(fā)生磁性衰退現(xiàn)象，降低永磁無刷電機(jī)的性能。內(nèi)嵌永磁體無刷直流電機(jī)是一種新型的無刷電機(jī)，這種電機(jī)在轉(zhuǎn)子鐵芯上開有與極數(shù)相同的燕尾槽，將永磁體嵌入其內(nèi)，永磁體與相鄰的鐵芯凸極構(gòu)成一個(gè)磁極，這種電機(jī)同時(shí)具備無

5、刷直流電機(jī)和串勵(lì)直流電機(jī)的特性。通過調(diào)節(jié)超前導(dǎo)通角，可以實(shí)現(xiàn)恒功率運(yùn)行，通過優(yōu)化控制超前角還可以優(yōu)化電機(jī)的效率，從而得到較寬的恒功率運(yùn)行區(qū)以及較高的效率。豐田汽車公司的Prius，本田汽車公司的CIVIC，Nissan的Altra，我國一汽集團(tuán)、東風(fēng)汽車的混合動(dòng)力轎車、同濟(jì)大學(xué)燃料電池轎車，比亞迪E6等采用的都是永磁同步電機(jī)。除Tesla 外，目前市場(chǎng)上主流的電動(dòng)汽車與混動(dòng)汽車大多采用了稀土永磁同步電機(jī)，稀土永磁同步電機(jī)代表了汽車廠商的主流選擇。圖4 永磁無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1.4 開關(guān)磁阻電機(jī) 20世紀(jì)80年代，研究者就開始設(shè)計(jì)用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的開關(guān)磁阻電機(jī)。與傳統(tǒng)的交流電機(jī)不同，開關(guān)磁阻電機(jī)

6、為雙凸極結(jié)構(gòu)，并且只在定子上安裝有集中勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子上既沒有永久磁鐵，也沒有繞組。開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，可靠性高，質(zhì)量輕，便于維修，成本低，同時(shí)效率可達(dá)到85%93%，轉(zhuǎn)速可達(dá)到15000r/min以上。但存在噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問題，在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用受到限制。圖5 開關(guān)磁阻電機(jī)示意圖表1 電動(dòng)汽車常用電機(jī)的參數(shù)比較直流電機(jī)感應(yīng)電機(jī)永磁無刷電機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)功率密度低一般高較高轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性一般好好好轉(zhuǎn)速范圍（r/min）4000600090001500040001500015000效率75%80%85%92%90%95%85%93%轉(zhuǎn)矩/電流比一般一般好好轉(zhuǎn)矩/慣量比一般一般較好好可靠性差好一般

7、好外形尺寸大一般小小成本高低高低2 電機(jī)主要組成及材料 電機(jī)主要由定子（固定部分）、轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)部分）構(gòu)成，定子和轉(zhuǎn)子的主要材料為鐵心（通常為硅鋼）和繞組組成，在電動(dòng)汽車中廣泛應(yīng)用的永磁無刷電機(jī)由永磁體充當(dāng)轉(zhuǎn)子，而直流電機(jī)還含有電刷和換向器部件。另外還包括電動(dòng)機(jī)附件：端蓋、風(fēng)扇、罩殼、機(jī)座和接線盒。2.1 鐵心材料硅鋼 鐵心材料無取向硅鋼片是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的關(guān)鍵材料，其性能影響了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性和服役表現(xiàn)。硅鋼一般含0.54.5%的硅，嚴(yán)格控制碳、氮（質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于50×10-6），有時(shí)還需加入高Al含量來保證其優(yōu)異的磁性能特別是低的鐵損。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)采用的電工鋼片有以下要求（1）為

8、提供高扭矩用于啟動(dòng)，電工鋼必須有高的磁感；（2）為提高能源轉(zhuǎn)換效率，電工鋼在中低磁場(chǎng)下有高磁感和高頻下的低鐵損；（3）高轉(zhuǎn)速下，要求使用高強(qiáng)度電工鋼具有高強(qiáng)度，特別對(duì)于永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)，磁極鑲嵌于轉(zhuǎn)子中，保證轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度至關(guān)重要；（4）縮小轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙可以有效提高磁通密度，要求電工鋼薄片具有良好的沖片性（5）高的疲勞壽命。電動(dòng)汽車所用的電工鋼片，既是要求磁性能的功能材料，也是要求強(qiáng)度和疲勞性能的結(jié)構(gòu)材料。驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求的電工鋼片要較傳統(tǒng)無趨向電工鋼強(qiáng)度高200MPa。由于電工鋼的超低碳含量以及冷軋后需進(jìn)行再結(jié)晶退火，一般情況下無法通過相變和位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行強(qiáng)化。為了防止磁滯時(shí)效，也無法進(jìn)行間隙

9、原子固溶強(qiáng)化。因此只能通過代位原子固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化。由于日本在新能源汽車方面處于全球領(lǐng)先位置，與其驅(qū)動(dòng)電機(jī)配套的無取向硅鋼片已經(jīng)可以工業(yè)化生產(chǎn)，且生產(chǎn)技術(shù)趨于成熟。而這一關(guān)鍵材料在我國尚不能夠工業(yè)化生產(chǎn)，依然主要依靠進(jìn)口。目前武鋼正在進(jìn)行高強(qiáng)度無取向電工鋼的工業(yè)試驗(yàn)，鋼鐵研究總院已開始在實(shí)驗(yàn)室通過模擬薄板坯連鑄連軋技術(shù)試制高強(qiáng)度無取向電工鋼。2.2 永磁材料表1 電機(jī)中應(yīng)用的典型永磁材料性能剩余磁化強(qiáng)度Br(T)感應(yīng)矯頑力Hc(kA/m)最大磁能積(BH)max(Kj/m3)剩磁溫度系數(shù)(%/)居里溫度Tc()釹鐵硼0.551.32380884239-446-0.07-0.13310410釤

10、鈷0.851.15480800120210-0.03-0.09710-880鋁鎳鈷0.681.35441451385-0.016-0.025850900鐵氧體0.220.441203206.440-0.18-0.20450460高的矯頑力才能保證電機(jī)輸出所需的磁動(dòng)勢(shì)，使電機(jī)工作點(diǎn)靠近最大磁能積，充分利用磁鋼的能力；高的剩余磁化強(qiáng)度，能確保電機(jī)有較高的轉(zhuǎn)速，大的輸出扭矩和大功率；高的內(nèi)稟矯頑力，可保證電機(jī)較強(qiáng)的過載、退磁及抗老化、抗低溫能力；高的磁能積，磁能積越高，表示永磁體在電機(jī)中實(shí)際運(yùn)行的工作系數(shù)越好。汽車行業(yè)對(duì)于釹鐵硼等永磁材料的需求量將不斷增長(zhǎng)，永磁材料用于汽車電機(jī)具有廣闊的發(fā)展前景，汽

11、車電機(jī)需要永磁材料每輛將超3kg。2.2.1鐵氧體永磁材料非金屬永磁材料，電機(jī)中常用的有1962年發(fā)現(xiàn)的鋇鐵氧體（BaO6· Fe2O3）1965年發(fā)現(xiàn)的鍶鐵氧體（SrO·Fe2O3），二者磁性能接近。鍶鐵氧體的Hc值略高于鋇鐵氧體，更適合在電機(jī)中應(yīng)用。主要優(yōu)點(diǎn)包括矯頑力高（Hc范圍128320 160kA/m）、價(jià)格便宜、不含稀土元素及貴金屬成分、比重相對(duì)較小（4.65.1g/cm3）、退磁曲線（或曲線中很大一部分）接近直線，回復(fù)線基本與退磁曲線的直線部分重合，不需要進(jìn)行工作性能穩(wěn)定處理。其缺點(diǎn)是剩磁感應(yīng)不大（0.20.44T）、磁能積（BH）最大僅為6.440

12、kj/m3；環(huán)境溫度對(duì)磁性能的影響較大、剩磁溫度系數(shù)Br為-0.18-0.20%/K-1，Hjc的溫度系數(shù)為0.40.6%/K-1，易碎。需要特別注意的是Hjc為正值，其矯頑力隨溫度的升高而增大，隨溫度的降低而減小，所以必須進(jìn)行最低環(huán)境溫度下的最大去磁工作點(diǎn)的校核計(jì)算，以防止在低溫時(shí)產(chǎn)生不可逆退磁。該材料一般適合設(shè)計(jì)成扁平狀。鐵氧體原料為FeO3和金屬鹽類（碳酸鹽、硫酸鹽等）及添加劑（高嶺土Ca2O3）等。經(jīng)處理，再混合、預(yù)壓、預(yù)熱、粉碎成一定粒度，在0.7T以上磁場(chǎng)中取向，然后在12001240下燒結(jié)12小時(shí)成型。2.2.2 鋁鎳鈷合金鋁鎳鈷合金是由鋁鎳鐵合金發(fā)展來的，目前我國能制造的鋁鎳鈷

13、合金的型號(hào)主要由LNG34，LNG52，LNGJ32，LNGJ56等。由于鋁鎳鈷的主要特點(diǎn)是高Br、低Hc的永磁材料，其相對(duì)磁導(dǎo)率在3以上，所以在具體應(yīng)用時(shí)，其磁極須做成長(zhǎng)柱體或長(zhǎng)棒體，以盡量減少退磁場(chǎng)作用。鋁鎳鈷磁體本省矯頑力低，所以在使用過程中應(yīng)嚴(yán)格禁止任何鐵器接觸鋁鎳鈷永磁材料，以避免造成永磁體局部退磁而使磁路中磁通分布發(fā)生畸變。鋁鎳鈷磁體的優(yōu)點(diǎn)是溫度系數(shù)小，而且因溫度變化而發(fā)生的永磁特性的退化也較小，但該材料硬而脆，加工困難。鋁鎳鈷永磁體用在電機(jī)中，必須裝配好以后充磁。此類電機(jī)定子轉(zhuǎn)子拆開后重裝，還必須再充磁，否則力矩和功率會(huì)大大降低。其原因是矯頑力低，拆開時(shí)永磁體嚴(yán)重退磁。2.2.3

14、 釤鈷釤鈷稀土永磁是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種新型金屬磁性材料。釤鈷具有優(yōu)良的磁性能，其剩磁可以達(dá)到0.851.14T，矯頑力可以達(dá)到480800kA/m，最大磁能積達(dá)到120210KJ/m3。釤鈷的退磁曲線基本為一條直線，回復(fù)線與退磁曲線重合，抗去磁能力很強(qiáng)；溫度系數(shù)較低，居里溫度高，磁穩(wěn)定性優(yōu)良，使用溫度高。釤鈷永磁材料非常適合用于制造高性能的永磁電機(jī)，但由于含有較多的戰(zhàn)略性金屬鈷和非常稀少的金屬釤，因此原料非常昂貴，只在要求電機(jī)具有高性能和高可靠性的特殊場(chǎng)合才考慮使用。2.2.4 釹鐵硼釹鐵硼于1983年研制成功。磁能積最大可達(dá)400kJ/m3是鐵氧體的12倍，是鋁鎳鈷的8倍，是釤鈷的2

15、倍，剩磁和矯頑力很高。釹在稀土中含量是釤的十幾倍，資源豐富，鐵、硼價(jià)格便宜，不含戰(zhàn)略物資鈷，因此釹鐵硼永磁材料的價(jià)格比稀土鈷永磁材料便宜很多。釹鐵硼永磁材料的缺點(diǎn)是居里溫度較低（310-410）；溫度系數(shù)較高，Br可達(dá)-0.13%/K-1，Hjc可達(dá)-0.6-0.7%/K-1，因而在高溫下使用時(shí)磁損失較大。由于含有大量的鐵和釹，所以容易銹蝕。使用普通的釹鐵硼永磁材料，必須要校核永磁材料的最大去磁工作點(diǎn)，以增強(qiáng)其可靠性。釹鐵硼由于磁能積高，可以提高氣隙磁通密度，減少電機(jī)線圈匝數(shù)，使電機(jī)的上升時(shí)間加快，伺服性能好。釹鐵硼容易氧化，應(yīng)提高密度以減少殘留氣隙來提高抗腐蝕能力，同時(shí)在表面涂敷保護(hù)層。由于

16、我國擁有世界80%以上蘊(yùn)藏量的釹礦資源，因此在價(jià)格上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，高性能釹鐵硼永磁材料性價(jià)比大幅提升，使質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉的釹鐵硼永磁直流電動(dòng)機(jī)在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也促進(jìn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的性能與結(jié)構(gòu)迅速發(fā)展。2.3 電刷和換向器材料 直流電機(jī)是在交流電機(jī)的基礎(chǔ)上，通過換向器和電刷對(duì)電樞繞組電流的換向來實(shí)現(xiàn)的。因此電刷是直流電機(jī)的重要組成部分，是直流電機(jī)用于導(dǎo)入導(dǎo)出電流的重要的滑動(dòng)接觸件，起到了過渡和中轉(zhuǎn)的作用。在直流電機(jī)中石墨類電刷使用較為普遍，石墨類電刷主要有三種，即石墨電刷、電化石墨電刷、金屬石墨電刷。石墨電刷電阻高，電阻率在80mm2/m以上，但硬度較低，常用于換向并不困

17、難的中小型電機(jī)。電化石墨電刷電阻率居中，常適用于換向高速換向困難的電機(jī)。金屬石墨電阻率較小，耐磨性較差，常用于速度不太高的低壓大電流電機(jī)。換向器的材料是銅合金，如鎘銅、銀銅等。目前，電動(dòng)車主要采用無刷電機(jī)。無刷電機(jī)與有刷直流電動(dòng)機(jī)相比具有以下二方面的優(yōu)勢(shì)。（1）壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、可靠性高。在有刷直流電動(dòng)機(jī)中，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，電刷和換向器磨損較快，一般工作1000小時(shí)左右就需更換電刷。另外其減速齒輪箱的技術(shù)難度較大，特別是傳動(dòng)齒輪的潤(rùn)滑問題，是目前有刷方案中比較大的難題。所以有刷電機(jī)就存在噪聲大、效率低、易產(chǎn)生故障等問題。因此無刷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)明顯。（2）效率高、節(jié)能。因無刷直流電動(dòng)機(jī)沒有機(jī)械換向的

18、磨擦損耗及齒輪箱的消耗，以及調(diào)速電路損耗，效率通?？筛哂?5%，但考慮到實(shí)際設(shè)計(jì)中的最高性價(jià)比，為減少材料消耗，一般設(shè)計(jì)為76%。而有刷直流電動(dòng)機(jī)的效率由于齒輪箱和超越離合器的消耗，通常在70%左右。2.4電機(jī)外殼汽車電機(jī)在工作過程中放出大量的熱，傳熱系數(shù)是對(duì)電機(jī)外殼最重要的一個(gè)要求。電機(jī)在制作過程中，涉及部件之間的焊接，焊接接頭質(zhì)量對(duì)電機(jī)外殼的質(zhì)量影響很大。另外由于電機(jī)外殼材料經(jīng)常處在風(fēng)吹雨淋、反復(fù)熱循環(huán)和周期振動(dòng)等工作條件下，同時(shí)電機(jī)外殼收到流動(dòng)冷卻液一定的腐蝕，因此還要求電機(jī)外殼材料耐腐蝕性能強(qiáng)，并有良好的疲勞性能。目前使用最多的是銅和鋁合金材料制成的自循環(huán)水冷卻電機(jī)外殼。圖6 電機(jī)殼體

19、2.5繞組線材料電動(dòng)汽車電機(jī)繞組線主要采用銅漆包線，漆包線由導(dǎo)體和絕緣層兩部分組成，裸線經(jīng)退火軟化后，再經(jīng)過多次涂漆，烘焙而成。漆包線要具備機(jī)械性能，化學(xué)性能，電性能，熱性能四大性能。3 電機(jī)材料的測(cè)試3.1 硅鋼測(cè)試磁學(xué)性能：測(cè)試鐵損值、磁感應(yīng)強(qiáng)度。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T13789單片電工鋼片(帶)磁性能測(cè)量方法 或GB/T3655電工鋼片(帶)磁、電和物理性能測(cè)量方法。力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T228 金屬材料 拉伸試驗(yàn)。工藝特性：疊裝系數(shù)，彎曲次數(shù)。分別依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19289 GB/T2522和GB/T235檢測(cè)。組織結(jié)構(gòu)測(cè)試：利用X射線衍射（XRD）和電子背散射衍射技術(shù)（EBSD）測(cè)試硅鋼取向，利用掃描電鏡測(cè)試、透射電鏡測(cè)試和力學(xué)性能測(cè)試對(duì)硅鋼固溶強(qiáng)化研究提供實(shí)驗(yàn)支持?；瘜W(xué)成分測(cè)試：采用輝光放電質(zhì)譜法（GDMS）和碳硫試驗(yàn)儀測(cè)試硅鋼中C、N等雜質(zhì)的含量。3.2 永磁材料測(cè)試磁性能：測(cè)試永磁體的退磁曲線和回復(fù)線?？傻玫讲牧系氖４?，矯頑力，內(nèi)稟矯頑力，磁能積，回復(fù)磁導(dǎo)率等一系列參數(shù)?？刹捎猛舜徘€測(cè)試儀，磁滯回線測(cè)試儀，依GB/T 3217進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試