磁性材料在汽车电子器件中的应用与市场分析

磁性材料在汽车电子器件中的应用与市场分析

1 汽车电子的发展对磁性材料的要求

通常地，对汽车用磁性材料的要求是各类电机对永磁材料的要求。永磁材料在电机中的应用非常广泛，特别是在汽车永磁电机中的应用占总产量的比重较大（如发达国家50%左右铁氧体永磁材料用于电机磁瓦，其中70%用于汽车电机），这主要是因为永磁电机比励磁电机结构紧凑、体小量轻、效率高、工作可靠等。永磁体性能对永磁电机的性能、体积有很大的影响。用作永磁电机的磁体，一般要求有高的磁性能，从而产生较大的气隙磁场；磁性能稳定性好，温度系数小；有较高的工作温度，以防止高温下退磁；有较好的机械性能和较低廉的价格。根据永磁电机的种类和结构不同，选择永磁体时考虑的出发点也不同，汽车用永磁电机，一般从价格上考虑较多，故多选用铁氧体磁体，高性能的稀土NdFeB磁体，由于其磁性能高，磁体的体积就相应地做得较小，随着稀土永磁价格不断下降，越来越多的汽车电机采用NdFeB稀土永磁材料。

永磁体装在电机上时，要与电机转子或定子产生一定距离大小的气隙（一般为0.5～1mm）。因此必然在气隙两侧永磁体的表面上产生磁极，这种磁极在磁体内部产生一退磁场，其方向与原来磁化时的外磁场方向相反，而且气隙越大，退磁场越强。这就是说永磁体是处于退磁场作用下进行工作，而且就工作在退磁曲线的某一点上，所以希望永磁体在退磁场作用下仍能保持高的磁感应强度，即要求HCB要大，HCB越大表示抵抗退磁场作用能力越大。衡量永磁材料在电机中应用的关键因素是：剩磁（Br）、矫顽力（Hc）、磁能积(BH)m、退磁曲线形状、磁体的温度稳定性，尺寸、体积与重量、制造成本等。

汽车永磁电机对永磁材料的一般要求：

1、高的HCB，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；

2、高的Br，才能确保电机有较高的转速、大的输出扭矩和大功率；

3、高的HCJ，可保证电机较强的过载、退磁及抗老化、抗低温能力；

4、高(BH)m，(BH)m越高，表示永磁体在电机中实际运行的工作系数越好；

5、磁通量Ф越大越好，这将极大地提高电机的工作效率；

随着汽车电机向轻量、小型、高效率化发展，要求磁体厚度越来越薄，为保证磁性能的稳定性和电机输出功率、电压的稳定性，对HCB和HCJ要求更高。

表1 汽车各部位的最高温度

汽车部位最高温度

①盖板下——发动机150℃

②——仪表板140℃

③底盘85℃

④外部121℃

⑤内部——仪表板（顶部）113℃

——仪表板（其它部位）85℃

⑥——底面85℃

⑦——尾部面板107℃

⑧装货室85℃

根据电机在汽车上不同的位置、结构和作用，对永磁材料的要求也各不相同。比如汽车各部分温度不同，对所用材料的耐热要求也不同，耐热标准一般是指不可逆退磁小于3%。这样就要求材料有高的内禀矫顽力。这是由于磁性元器件关系到汽车正常运转和各功能的实施。因此耐热性是防止交通事故，确保人员和财产安全的重要指标之一。表1列出了汽车各部位的最高温度。

由于永磁铁氧体原材料丰富、价格低廉、居里温度高、温度系数小及耐腐蚀性好，适于工作环境较恶劣的汽车电机应用。故目前或将来较长一段时间内，电机中永磁铁氧体仍占较大比例。尤其是永磁铁氧体材料性能近年来不断提高，能更好地满足汽车电机发展的需要。今后的趋势是：中低档铁氧体将被高档永磁铁氧体取代，需要小型化、高性能化永磁电机将不断增多，其所用磁性材料随着钕铁硼材料价格的下降而被越来越多地使用，对NdFeB的要求是其抗蚀性和耐热性要好。现对几种主要电机对铁氧体的要求作一简单分析。

·启动电机

由于启动电机安装在发动机上，必须面对严峻的工作环境，如高温、低温、尘埃或盐水，只有铁氧体材料能完全适用，因此现在启动电机95%左右批量采用瓦形永磁铁氧体。根据启动电机电磁转矩公式（M=cmφIa）要使电磁转矩大，就要磁体有高的(BH)max和Br值。另外，由于磁体受温度变化影响，因此要求其磁通不可逆损失≤5%（有的厂家要求≤3%），因此又要求磁体有高的HCJ值。现在启动电机用铁氧体磁性能Br值一般在380mT以上，HCJ至少为358kA/m。随着整车厂对启动电机特性要求的提高以及对启动电机体积和质量的减小，已有一些电机制造商采用Br为430mT和HCJ为395kA/m 的永磁铁氧体磁瓦。

·雨刮器电机

雨刮器电机对磁性能HCJ取值要求虽无启动电机高，但也要求做低温冲击退磁试验，多数用户要求磁通变化小于5%，也有些用户要求小于3%，将来雨刮器电机的体积与质量比现在要缩小20%左右，因此Br值达450mT的磁体即将用在雨刮器电机上。

·燃油泵电机

由于燃油泵是连续较平稳地运行的，又整体浸在汽（柴）油中，工作温度稳定，故对HCJ要求比上述两种低些。但燃油泵体积很小，要求高的磁通量，故对Br 和(BH)max值要求高些。现在大批量用一般Br要求达到420mT，(BH)max要求达到33kJ/m3。又由于燃油泵电机整体安装在油箱中，故对磁瓦外观与清洁度有严格要求，不允许有红粉、掉角、碎片出现。已有公司采用Br达460mT的磁瓦，用于燃油泵电机，进一步减小体积。

随着汽车电子技术进步，汽车中的电子控制系统、音响系统、影像系统等所用的软磁材料也越来越多。这些设备对软磁材料及元器件总的要求是高磁导率、高饱和磁通密度、高频下低损耗、高输出功率、高温工作稳定性等，在汽车导航、雷达识别及全球定位系统中应该重点关注软磁器件的抗电磁干扰特性，选择使用高性能和高可靠性的EMI（EMC）材料。

由于汽车部件通常有两万之多，而其中磁性部件也有多达数千个，本文不对它们的要求作具体分析。另外，随着汽车电子的快速发展，将来汽车中新的电子器件配置，对磁性材料及器件的新应用又有新的要求。

2 永磁材料在汽车电子器件中的应用

当今每辆汽车中已有40～70处用到永磁材料，大多数用于电机、执行器和传感器。以汽车电机为例，目前每辆汽车平均使用的永磁电机就超过30只。采用永磁材料的永磁电机可帮汽车实现电子功率控制、刹车控制、驾驶操作等功能。未来的控制功能一般都需要使用永磁材料及永磁电机，汽车上的主驱动将更多地利用计算机控制，这些特点要求增加很多小的电动机，以利用各种不同的控制功能，如燃料或节流控制等。高性能永磁没有激磁损耗，不发热。在电机设计中增加了更多的灵活性，改变常规设计，包括圆盘式电机和外转子型电机的设计，由于其惯性小、电抗低，可达到更好的动态特性和高速度能力，完全满足现代汽车对发动机高功率与电子系统高可靠的要求。