电动汽车电机材料

电动汽车驱动电机材料0 引言 电动汽车是以电驱动为基础的、安全、经济、清洁的绿色交通工具，在能源、环境等方面具有独特的优越性和竞争力，而且能够方便地采用现代控制技术实现其机电一体化，具有广阔的发展前景。图1 特斯拉电动汽车和比亚迪电动汽车1 电动汽车驱动电机 电机驱动系统是电动汽车的动力源，是决定汽车运行各项性能指标的主体与内在根据。目前，电动汽车电机主要有直流电机、感应电机、永磁无刷电机以及开关磁阻电机等。1.1 直流电机 早期开发的电动汽车多采用直流电机，其控制装置简单，成本低。电动汽车最常采用的是他励直流电机和串励直流电机。但由于直流电机存在换向器和电刷，它们之间有机械磨损，需要定期维护。换向器和电刷之间的机械损耗、接触损耗以及电损耗使得直流电机的效率较低。直流电机在现代高性能电动汽车上的应用正在较少，但仍有一些电动汽车在应用，例如，东京大学UOT电动汽车，马自达公司BANGO电动汽车，意大利菲亚特公司900E/E2电动汽车，我国的陆骏电动汽车。图2直流电机结构示意图1.2 感应电机 20世纪90年代后，交流电机在电动汽车的应用得到迅速发展，较为成熟的是三相鼠笼式异步电机，简称感应电机。感应电机结构简单，运行可靠，价格低廉。功率可以从零点几瓦到几千瓦，最高转速可达1000012000r/min。可以采用空气冷却和液体冷却方式，对环境适应性好，可实现再生制动。但感应电机耗电量大、转子易发热，控制系统复杂，相对永磁无刷电机，感应电机效率和功率偏低，正在逐渐被性能更加优越的永磁无刷电机代替。应用感应电机的汽车有美国特斯拉汽车，美国克莱斯勒公司的A-Class Electric 电动轿车，日本Nissan 汽车公司的FEV电动轿车，法国雷诺汽车公司的Clio Electric 电动汽车等。图3 感应电机结构示意图1.3 永磁无刷电机永磁无刷电机可分为两类：一类是具有正弦波电流的永磁同步电机，另一类是具有矩形脉冲波电流的无刷直流电机。两种电机，转子都是永久磁体，电机转子不需要电刷和励磁绕组，通过定子绕组换相产生旋转转矩。永磁无刷电机可靠性高，输出功率大，与相同转速的其他电机相比具有体积小，质量轻，便于维修，高效率，高功率因数等特点。由于转子没有励磁绕组，无铜耗，磁通小，在低负荷时铁耗很小，因此，永磁无刷电机具有高的“功率/质量”比，可以高速运转，同时由于没有转子的磨损且定子绕组是主要的发热源，易于冷却。转子电磁时间常数小，电机动态特性好，极限转速和制动性能都由于其他类型电机。但永磁无刷电机的功率范围较小，一般最大功率为几十千瓦，同事在高温、振动和过高电流作用下，会发生磁性衰退现象，降低永磁无刷电机的性能。内嵌永磁体无刷直流电机是一种新型的无刷电机，这种电机在转子铁芯上开有与极数相同的燕尾槽，将永磁体嵌入其内，永磁体与相邻的铁芯凸极构成一个磁极，这种电机同时具备无刷直流电机和串励直流电机的特性。通过调节超前导通角，可以实现恒功率运行，通过优化控制超前角还可以优化电机的效率，从而得到较宽的恒功率运行区以及较高的效率。丰田汽车公司的Prius，本田汽车公司的CIVIC，Nissan的Altra，我国一汽集团、东风汽车的混合动力轿车、同济大学燃料电池轿车，比亚迪E6等采用的都是永磁同步电机。除Tesla 外，目前市场上主流的电动汽车与混动汽车大多采用了稀土永磁同步电机，稀土永磁同步电机代表了汽车厂商的主流选择。图4 永磁无刷电机结构示意图1.4 开关磁阻电机 20世纪80年代，研究者就开始设计用于电动汽车驱动的开关磁阻电机。与传统的交流电机不同，开关磁阻电机为双凸极结构，并且只在定子上安装有集中励磁绕组，转子上既没有永久磁铁，也没有绕组。开关磁阻电机结构简单坚固，可靠性高，质量轻，便于维修，成本低，同时效率可达到85%93%，转速可达到15000r/min以上。但存在噪声和转矩波动问题，在电动汽车上的应用受到限制。图5 开关磁阻电机示意图表1 电动汽车常用电机的参数比较直流电机感应电机永磁无刷电机开关磁阻电机功率密度低一般高较高转矩转速特性一般好好好转速范围（r/min）4000600090001500040001500015000效率75%80%85%92%90%95%85%93%转矩/电流比一般一般好好转矩/惯量比一般一般较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 电机主要组成及材料 电机主要由定子（固定部分）、转子（旋转部分）构成，定子和转子的主要材料为铁心（通常为硅钢）和绕组组成，在电动汽车中广泛应用的永磁无刷电机由永磁体充当转子，而直流电机还含有电刷和换向器部件。另外还包括电动机附件：端盖、风扇、罩壳、机座和接线盒。2.1 铁心材料硅钢 铁心材料无取向硅钢片是驱动电机的关键材料，其性能影响了驱动电机的驱动特性和服役表现。硅钢一般含0.54.5%的硅，严格控制碳、氮（质量分数均小于5010-6），有时还需加入高Al含量来保证其优异的磁性能特别是低的铁损。电动汽车驱动电机对采用的电工钢片有以下要求（1）为提供高扭矩用于启动，电工钢必须有高的磁感；（2）为提高能源转换效率，电工钢在中低磁场下有高磁感和高频下的低铁损；（3）高转速下，要求使用高强度电工钢具有高强度，特别对于永磁驱动电机，磁极镶嵌于转子中，保证转子的强度至关重要；（4）缩小转子和定子之间的间隙可以有效提高磁通密度，要求电工钢薄片具有良好的冲片性（5）高的疲劳寿命。电动汽车所用的电工钢片，既是要求磁性能的功能材料，也是要求强度和疲劳性能的结构材料。驱动电机要求的电工钢片要较传统无趋向电工钢强度高200MPa。由于电工钢的超低碳含量以及冷轧后需进行再结晶退火，一般情况下无法通过相变和位错强化机制进行强化。为了防止磁滞时效，也无法进行间隙原子固溶强化。因此只能通过代位原子固溶强化和析出强化。由于日本在新能源汽车方面处于全球领先位置，与其驱动电机配套的无取向硅钢片已经可以工业化生产，且生产技术趋于成熟。而这一关键材料在我国尚不能够工业化生产，依然主要依靠进口。目前武钢正在进行高强度无取向电工钢的工业试验，钢铁研究总院已开始在实验室通过模拟薄板坯连铸连轧技术试制高强度无取向电工钢。2.2 永磁材料表1 电机中应用的典型永磁材料性能剩余磁化强度Br(T)感应矫顽力Hc(kA/m)最大磁能积(BH)max(Kj/m3)剩磁温度系数(%/)居里温度Tc()钕铁硼0.551.32380884239-446-0.07-0.13310410钐钴0.851.15480800120210-0.03-0.09710-880铝镍钴0.681.35441451385-0.016-0.025850900铁氧体0.220.441203206.440-0.18-0.20450460高的矫顽力才能保证电机输出所需的磁动势，使电机工作点靠近最大磁能积，充分利用磁钢的能力；高的剩余磁化强度，能确保电机有较高的转速，大的输出扭矩和大功率；高的内禀矫顽力，可保证电机较强的过载、退磁及抗老化、抗低温能力；高的磁能积，磁能积越高，表示永磁体在电机中实际运行的工作系数越好。汽车行业对于钕铁硼等永磁材料的需求量将不断增长，永磁材料用于汽车电机具有广阔的发展前景，汽车电机需要永磁材料每辆将超3kg。2.2.1铁氧体永磁材料非金属永磁材料，电机中常用的有1962年发现的钡铁氧体（BaO6 Fe2O3）1965年发现的锶铁氧体（SrOFe2O3），二者磁性能接近。锶铁氧体的Hc值略高于钡铁氧体，更适合在电机中应用。主要优点包括矫顽力高（Hc范围128320160kA/m）、价格便宜、不含稀土元素及贵金属成分、比重相对较小（4.65.1g/cm3）、退磁曲线（或曲线中很大一部分）接近直线，回复线基本与退磁曲线的直线部分重合，不需要进行工作性能稳定处理。其缺点是剩磁感应不大（0.20.44T）、磁能积（BH）最大仅为6.440kj/m3；环境温度对磁性能的影响较大、剩磁温度系数Br为-0.18-0.20%/K-1，Hjc的温度系数为0.40.6%/K-1，易碎。需要特别注意的是Hjc为正值，其矫顽力随温度的升高而增大，随温度的降低而减小，所以必须进行最低环境温度下的最大去磁工作点的校核计算，以防止在低温时产生不可逆退磁。该材料一般适合设计成扁平状。铁氧体原料为FeO3和金属盐类（碳酸盐、硫酸盐等）及添加剂（高岭土Ca2O3）等。经处理，再混合、预压、预热、粉碎成一定粒度，在0.7T以上磁场中取向，然后在12001240下烧结12小时成型。2.2.2 铝镍钴合金铝镍钴合金是由铝镍铁合金发展来的，目前我国能制造的铝镍钴合金的型号主要由LNG34，LNG52，LNGJ32，LNGJ56等。由于铝镍钴的主要特点是高Br、低Hc的永磁材料，其相对磁导率在3以上，所以在具体应用时，其磁极须做成长柱体或长棒体，以尽量减少退磁场作用。铝镍钴磁体本省矫顽力低，所以在使用过程中应严格禁止任何铁器接触铝镍钴永磁材料，以避免造成永磁体局部退磁而使磁路中磁通分布发生畸变。铝镍钴磁体的优点是温度系数小，而且因温度变化而发生的永磁特性的退化也较小，但该材料硬而脆，加工困难。铝镍钴永磁体用在电机中，必须装配好以后充磁。此类电机定子转子拆开后重装，还必须再充磁，否则力矩和功率会大大降低。其原因是矫顽力低，拆开时永磁体严重退磁。2.2.3 钐钴钐钴稀土永磁是20世纪60年代出现的一种新型金属磁性材料。钐钴具有优良的磁性能，其剩磁可以达到0.851.14T，矫顽力可以达到480800kA/m，最大磁能积达到120210KJ/m3。钐钴的退磁曲线基本为一条直线，回复线与退磁曲线重合，抗去磁能力很强；温度系数较低，居里温度高，磁稳定性优良，使用温度高。钐钴永磁材料非常适合用于制造高性能的永磁电机，但由于含有较多的战略性金属钴和非常稀少的金属钐，因此原料非常昂贵，只在要求电机具有高性能和高可靠性的特殊场合才考虑使用。2.2.4 钕铁硼钕铁硼于1983年研制成功。磁能积最大可达400kJ/m3是铁氧体的12倍，是铝镍钴的8倍，是钐钴的2倍，剩磁和矫顽力很高。钕在稀土中含量是钐的十几倍，资源丰富，铁、硼价格便宜，不含战略物资钴，因此钕铁硼永磁材料的价格比稀土钴永磁材料便宜很多。钕铁硼永磁材料的缺点是居里温度较低（310-410）；温度系数较高，Br可达-0.13%/K-1，Hjc可达-0.6-0.7%/K-1，因而在高温下使用时磁损失较大。由于含有大量的铁和钕，所以容易锈蚀。使用普通的钕铁硼永磁材料，必须要校核永磁材料的最大去磁工作点，以增强其可靠性。钕铁硼由于磁能积高，可以提高气隙磁通密度，减少电机线圈匝数，使电机的上升时间加快，伺服性能好。钕铁硼容易氧化，应提高密度以减少残留气隙来提高抗腐蚀能力，同时在表面涂敷保护层。由于我国拥有世界80%以上蕴藏量的钕矿资源，因此在价格上具有得天独厚的优势，高性能钕铁硼永磁材料性价比大幅提升，使质优、价廉的钕铁硼永磁直流电动机在产业化生产中得到了广泛的应用，同时也促进永磁无刷直流电动机的性能与结构迅速发展。2.3 电刷和换向器材料 直流电机是在交流电机的基础上，通过换向器和电刷对电枢绕组电流的换向来实现的。因此电刷是直流电机的重要组成部分，是直流电机用于导入导出电流的重要的滑动接触件，起到了过渡和中转的作用。在直流电机中石墨类电刷使用较为普遍，石墨类电刷主要有三种，即石墨电刷、电化石墨电刷、金属石墨电刷。石墨电刷电阻高，电阻率在80mm2/m以上，但硬度较低，常用于换向并不困难的中小型电机。电化石墨电刷电阻率居中，常适用于换向高速换向困难的电机。金属石墨电阻率较小，耐磨性较差，常用于速度不太高的低压大电流电机。换向器的材料是铜合金，如镉铜、银铜等。目前，电动车主要采用无刷电机。无刷电机与有刷直流电动机相比具有以下二方面的优势。（1）寿命长、免维护、可靠性高。在有刷直流电动机中，由于电机转速较高，电刷和换向器磨损较快，一般工作1000小时左右就需更换电刷。另外其减速齿轮箱的技术难度较大，特别是传动齿轮的润滑问题，是目前有刷方案中比较大的难题。所以有刷电机就存在噪声大、效率低、易产生故障等问题。因此无刷电机的优势明显。（2）效率高、节能。因无刷直流电动机没有机械换向的磨擦损耗及齿轮箱的消耗，以及调速电路损耗，效率通常可高于85%，但考虑到实际设计中的最高性价比，为减少材料消耗，一般设计为76%。而有刷直流电动机的效率由于齿轮箱和超越离合器的消耗，通常在70%左右。2.4电机外壳汽车电机在工作过程中放出大量的热，传热系数是对电机外壳最重要的一个要求。电机在制作过程中，涉及部件之间的焊接，焊接接头质量对电机外壳的质量影响很大。另外由于电机外壳材料经常处在风吹雨淋、反复热循环和周期振动等工作条件下，同时电机外壳收到流动冷却液一定的腐蚀，因此还要求电机外壳材料耐腐蚀性能强，并有良好的疲劳性能。目前使用最多的是铜和铝合金材料制成的自循环水冷却电机外壳。图6 电机壳体2.5绕组线材料电动汽车电机绕组线主要采用铜漆包线，漆包线由导体和绝缘层两部分组成，裸线经退火软化后，再经过多次涂漆，烘焙而成。漆包线要具备机械性能，化学性能，电性能，热性能四大性能。3 电机材料的测试3.1 硅钢测试磁学性能：测试铁损值、磁感应强度。依据标准GB/T13789单片电工钢片(带)磁性能测量方法 或GB/T3655电工钢片(带)磁、电和物理性能测量方法。力学性能：抗拉强度、伸长率。依据标准GB/T228 金属材料 拉伸试验。工艺特性：叠装系数，弯曲次数。分别依据标准GB/T 19289 GB/T2522和GB/T235检测。组织结构测试：利用X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射技术（EBSD）测试硅钢取向，利用扫描电镜测试、透射电镜测试和力学性能测试对硅钢固溶强化研究提供实验支持。化学成分测试：采用辉光放电质谱法（GDMS）和碳硫试验仪测试硅钢中C、N等杂质的含量。3.2 永磁材料测试磁性能：测试永磁体的退磁曲线和回复线。可得到材料的剩磁，矫顽力，内禀矫顽力，磁能积，回复磁导率等一系列参数。可采用退磁曲线测试仪，磁滞回线测试仪，依GB/T 3217进行测试。测试永磁体磁性能温度系数，依据GB/T24270-2009测试。力学性能：永磁体的拉伸性能、断裂韧性、高周疲劳性能测试。环境实验：永磁体的耐腐蚀试验。化学成分测试：采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）法测定永磁体中元素的含量，采用GDMS法测试永磁体中的杂质含量。组织结构测试：采用XRD和EBSD测试磁体晶体取向。采用SEM和TEM对磁体的主体相、晶界析出相和析出相的微区成分、尺寸、分布等进行分析测试，为磁体改进和开发新磁体提供依据。采用SEM测试对磁体的防护涂层的微区成分、厚度等信息。3.3 电刷和换向器材料测试电性能：测试导电率，接触电压降，电流密度。依据IEC60413测试。力学性能：测试硬度，摩擦系数和耐磨性（50小时磨损）。依据IEC60413测试。3.4 电机壳体材料测试力学性能：断裂韧性测试、焊接强度测试。环境实验：耐高温试验，耐腐蚀试验。热学性能：导热系数测试。无损检测：铸造壳体和焊缝的宏观组织缺陷检测。3.5 漆包线检测漆包线检测方法标准主要有GB/T4909、GB/T4074、GB/T5584、GB/T3953、GB/T3952、GB/T6108。漆包线的产品标准：GB/T6109、GB/T7095。机械性能测试：伸长率测试、回弹角实验、拉伸力测试、弯曲力测试、耐刮性实验。耐热性能测试：热老化试验、热冲击试验、耐热软化击穿试验。电气试验：直流电阻、击穿电压、漆膜连续性、针孔试验。耐化学试验：测试耐酸、耐碱、耐盐雾、耐潮湿、耐油、耐溶剂、耐冷媒、耐辐射性能。