電動汽車電機(jī)材料

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電動汽車驅(qū)動電機(jī)材料 0 引言 電動汽車是以電驅(qū)動為基礎(chǔ)的、安全、經(jīng)濟(jì)、清潔的綠色交通工具，在能源、環(huán)境等方面具有獨特的優(yōu)越性和競爭力，而且能夠方便地采用現(xiàn)代控制技術(shù)實現(xiàn)其機(jī)電一體化，具有廣闊的發(fā)展前景。 圖1 特斯拉電動汽車和比亞迪電動汽車 1 電動汽車驅(qū)動電機(jī) 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的動力源，是決定汽車運行各項性能指標(biāo)的主體與內(nèi)在根據(jù)。目前，電動汽車電機(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)的電動汽車多采用直流電機(jī)，其控制裝置簡單，成本低。電動汽車最常采用的是他勵直流電機(jī)和串勵直流電機(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)。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)代高性能電動汽車上的應(yīng)用正在較少，但仍有一些電動汽車在應(yīng)用，例如，東京大學(xué)UOT電動汽車，馬自達(dá)公司BANGO電動汽車，意大利菲亞特公司900E/E2電動汽車，我國的陸駿電動汽車。 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)，簡稱感應(yīng)電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，價格低廉。功率可以從零點幾瓦到幾千瓦，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)10000～12000r/min?？梢圆捎每諝饫鋮s和液體冷卻方式，對環(huán)境適應(yīng)性好，可實現(xiàn)再生制動。但感應(yīng)電機(jī)耗電量大、轉(zhuǎn)子易發(fā)熱，控制系統(tǒng)復(fù)雜，相對永磁無刷電機(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 電動轎車，日本Nissan 汽車公司的FEV電動轎車，法國雷諾汽車公司的Clio Electric 電動汽車等。 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)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。由于轉(zhuǎn)子沒有勵磁繞組，無銅耗，磁通小，在低負(fù)荷時鐵耗很小，因此，永磁無刷電機(jī)具有高的“功率/質(zhì)量”比，可以高速運轉(zhuǎn)，同時由于沒有轉(zhuǎn)子的磨損且定子繞組是主要的發(fā)熱源，易于冷卻。轉(zhuǎn)子電磁時間常數(shù)小，電機(jī)動態(tài)特性好，極限轉(zhuǎn)速和制動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、振動和過高電流作用下，會發(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)成一個磁極，這種電機(jī)同時具備無刷直流電機(jī)和串勵直流電機(jī)的特性。通過調(diào)節(jié)超前導(dǎo)通角，可以實現(xiàn)恒功率運行，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，目前市場上主流的電動汽車與混動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)計用于電動汽車驅(qū)動的開關(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)為雙凸極結(jié)構(gòu)，并且只在定子上安裝有集中勵磁繞組，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)簡單堅固，可靠性高，質(zhì)量輕，便于維修，成本低，同時效率可達(dá)到85%～93%，轉(zhuǎn)速可達(dá)到15000r/min以上。但存在噪聲和轉(zhuǎn)矩波動問題，在電動汽車上的應(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） 4000～6000 9000～15000 4000～15000 ＞15000 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 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)動電機(jī)的關(guān)鍵材料，其性能影響了驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動特性和服役表現(xiàn)。硅鋼一般含0.5～4.5%的硅，嚴(yán)格控制碳、氮（質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于5010-6），有時還需加入高Al含量來保證其優(yōu)異的磁性能特別是低的鐵損。 電動汽車驅(qū)動電機(jī)對采用的電工鋼片有以下要求（1）為提供高扭矩用于啟動，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，特別對于永磁驅(qū)動電機(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強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行強(qiáng)化。為了防止磁滯時效，也無法進(jìn)行間隙原子固溶強(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，鋼鐵研究總院已開始在實驗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) α(%/℃) 居里溫度 Tc(℃) 釹鐵硼 0.55～1.32 380～884 239-446 -0.07～-0.13 310～410 釤鈷 0.85～1.15 480～800 120～210 -0.03～-0.09 710-880 鋁鎳鈷 0.68～1.35 44～145 13～85 -0.016～-0.025 850～900 鐵氧體 0.22～0.44 120～320 6.4～40 -0.18～-0.20 450～460 高的矯頑力才能保證電機(jī)輸出所需的磁動勢，使電機(jī)工作點靠近最大磁能積，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)中實際運行的工作系數(shù)越好。汽車行業(yè)對于釹鐵硼等永磁材料的需求量將不斷增長，永磁材料用于汽車電機(jī)具有廣闊的發(fā)展前景，汽車電機(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（SrOFe2O3），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)點包括矯頑力高（Hc范圍128~320160kA/m）、價格便宜、不含稀土元素及貴金屬成分、比重相對較小（4.6~5.1g/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。其缺點是剩磁感應(yīng)不大（0.2~0.44T）、磁能積（BH）最大僅為6.4~40kj/m3；環(huán)境溫度對磁性能的影響較大、剩磁溫度系數(shù)αBr為-0.18~-0.20%/K-1，αHjc的溫度系數(shù)為0.4~0.6%/K-1，易碎。需要特別注意的是αHjc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的校核計算，以防止在低溫時產(chǎn)生不可逆退磁。該材料一般適合設(shè)計成扁平狀。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以上磁場中取向，然后在1200~1240℃下燒結(jié)1~2小時成型。 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合金的型號主要由LNG34，LNG52，LNGJ32，LNGJ56等。 由于鋁鎳鈷的主要特點是高Br、低Hc的永磁材料，其相對磁導(dǎo)率在3以上，所以在具體應(yīng)用時，其磁極須做成長柱體或長棒體，以盡量減少退磁場作用。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，否則力矩和功率會大大降低。其原因是矯頑力低，拆開時永磁體嚴(yán)重退磁。 2.2.3 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0.85～1.14T，矯頑力可以達(dá)到480～800kA/m，最大磁能積達(dá)到120～210KJ/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、硼價格便宜，不含戰(zhàn)略物資鈷，因此釹鐵硼永磁材料的價格比稀土鈷永磁材料便宜很多。 釹鐵硼永磁材料的缺點是居里溫度較低（310-410℃）；溫度系數(shù)較高， αBr可達(dá)-0.13%/K-1，αHjc可達(dá)-0.6～-0.7%/K-1，因而在高溫下使用時磁損失較大。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，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，同時在表面涂敷保護(hù)層。 由于我國擁有世界80%以上蘊(yùn)藏量的釹礦資源，因此在價格上具有得天獨厚的優(yōu)勢，高性能釹鐵硼永磁材料性價比大幅提升，使質(zhì)優(yōu)、價廉的釹鐵硼永磁直流電動機(jī)在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，同時也促進(jìn)永磁無刷直流電動機(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電樞繞組電流的換向來實現(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80Ωmm2/m以上，但硬度較低，常用于換向并不困難的中小型電機(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，電動車主要采用無刷電機(jī)。無刷電機(jī)與有刷直流電動機(jī)相比具有以下二方面的優(yōu)勢。（1）壽命長、免維護(hù)、可靠性高。在有刷直流電動機(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，特別是傳動齒輪的潤滑問題，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)勢明顯。（2）效率高、節(jié)能。因無刷直流電動機(jī)沒有機(jī)械換向的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%，但考慮到實際設(shè)計中的最高性價比，為減少材料消耗，一般設(shè)計為76%。而有刷直流電動機(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)是對電機(jī)外殼最重要的一個要求。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)和周期振動等工作條件下，同時電機(jī)外殼收到流動冷卻液一定的腐蝕，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 2.5繞組線材料 電動汽車電機(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)材料的測試 3.1 硅鋼測試 磁學(xué)性能：測試鐵損值、磁感應(yīng)強(qiáng)度。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T13789單片電工鋼片(帶)磁性能測量方法 或GB/T3655電工鋼片(帶)磁、電和物理性能測量方法。 力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度、伸長率。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T228 金屬材料 拉伸試驗。 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。 組織結(jié)構(gòu)測試：利用X射線衍射（XRD）和電子背散射衍射技術(shù)（EBSD）測試硅鋼取向，利用掃描電鏡測試、透射電鏡測試和力學(xué)性能測試對硅鋼固溶強(qiáng)化研究提供實驗支持。 化學(xué)成分測試：采用輝光放電質(zhì)譜法（GDMS）和碳硫試驗儀測試硅鋼中C、N等雜質(zhì)的含量。 3.2 永磁材料測試 磁性能：測試永磁體的退磁曲線和回復(fù)線?？傻玫讲牧系氖４牛C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€測試儀，磁滯回線測試儀，依GB/T 3217進(jìn)行測試。測試永磁體磁性能溫度系數(shù)，依據(jù)GB/T24270-2009測試。 力學(xué)性能：永磁體的拉伸性能、斷裂韌性、高周疲勞性能測試。 環(huán)境實驗：永磁體的耐腐蝕試驗。 化學(xué)成分測試：采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）法測定永磁體中元素的含量，采用GDMS法測試永磁體中的雜質(zhì)含量。 組織結(jié)構(gòu)測試：采用XRD和EBSD測試磁體晶體取向。采用SEM和TEM對磁體的主體相、晶界析出相和析出相的微區(qū)成分、尺寸、分布等進(jìn)行分析測試，為磁體改進(jìn)和開發(fā)新磁體提供依據(jù)。采用SEM測試對磁體的防護(hù)涂層的微區(qū)成分、厚度等信息。 3.3 電刷和換向器材料測試 電性能：測試導(dǎo)電率，接觸電壓降，電流密度。依據(jù)IEC60413測試。 力學(xué)性能：測試硬度，摩擦系數(shù)和耐磨性（50小時磨損）。依據(jù)IEC60413測試。 3.4 電機(jī)殼體材料測試 力學(xué)性能：斷裂韌性測試、焊接強(qiáng)度測試。 環(huán)境實驗：耐高溫試驗，耐腐蝕試驗。 熱學(xué)性能：導(dǎo)熱系數(shù)測試。 無損檢測：鑄造殼體和焊縫的宏觀組織缺陷檢測。 3.5 漆包線檢測 漆包線檢測方法標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T4909、GB/T4074、GB/T5584、GB/T3953、GB/T3952、GB/T6108。 漆包線的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)：GB/T6109、GB/T7095。 機(jī)械性能測試：伸長率測試、回彈角實驗、拉伸力測試、彎曲力測試、耐刮性實驗。 耐熱性能測試：熱老化試驗、熱沖擊試驗、耐熱軟化擊穿試驗。 電氣試驗：直流電阻、擊穿電壓、漆膜連續(xù)性、針孔試驗。 耐化學(xué)試驗：測試耐酸、耐堿、耐鹽霧、耐潮濕、耐油、耐溶劑、耐冷媒、耐輻射性能。