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10000～12000r/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

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0.5～4.5%的硅，严格控制碳、氮（质量分数均小于50×10-6），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

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（SrO·Fe2O3），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128~320?160kA/m）、价格便宜、不含稀土元素及贵金属成分、比重相对较小（4.6~5.1g/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（0.2~0.44T）、磁能积（BH）最大仅为6.4~40kj/m3；环境温度对磁性能的影响较大、剩磁温度系数αBr为-0.18~-0.20%/K-1，αHjc的温度系数为0.4~0.6%/K-1，易碎。需要特别注意的是αHjc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