汽车电机中永磁材料的应用及其发展前景
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汽车电机中永磁材料的应用及其发展前景
翁兴园
（ 中国西南应用磁学研究所， 四川绵阳 %"’### ）
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= 汽车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 F#G 左右铁氧体永磁材料用于电机磁瓦， 其中 H#G 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、 体积有较大的影响。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 I@J.K 磁体， 由于其磁 性能高， 磁体的体积就相应地做得较小， 但随着稀土永磁 价格不断下降， 越来越多的汽车电机采用 I@J.K 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 #D F L ’99 ） 。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
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烧结 粘结
小、 电抗低， 可达到更好的动态特性和高速度能力， 更能 满足现代汽车对发动机高功率与电子系统高可靠的要 求。 随着汽车永磁电机向小型化、 轻量化、 高效率化的不 （ 特别是粘结 "#$%& ） 永磁材料为代表 断发展， 以 "#$%& 的高性能稀土永磁材料， 由于价格不断下降逐渐取代部 份传统的铁氧体永磁电机， 如用于起动电机、 发电机、 自 动刹车， 以及油泵电机、 空调电机等， 今后将广泛用于操 纵系统。通用汽车 公 司 自 ’( 世 纪 )( 年 代 末 开 始 采 用 "#$%& 粘结磁体于一些车型的起动电机， 在等同的输出 力矩下， 用 "#$%& 的起动电机重量减轻一半， 体积缩小 * + ,， 效率提高。 下表列出高档汽车永磁电机及其所用永磁材料。
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高档汽车电机配置及其材料表
电机名称 起动电机 起动辅助电机 空气净化器电机 （ 后置） 空调器电机 空调暖风器电机 室温传感器电机 自动空调调节器电机 真空泵电机 时钟电机 音响装置电机 电子计价器电机 电子反光镜电机 车高调整泵电机 自动速度调整泵电机 散热器冷却电机 电容器冷却电机 扼流控制器电机 扰流控制器电机 座椅调节器电机 气泵电机 顶板调节电机 自动天线电机 可变减震器电机 自动门锁电机 油泵电机 电动窗电机 后雨刮器电机 后窗冲洗器电机 前雨刮器电机 前窗冲洗器电机 前灯清扫器电机 前灯冲洗器电机 可伸缩车前灯电机 遮阳蓬顶电动机 磁带机电动机 去雾器电动机 后车门电动机 燃料泵电动机 车窗电动机 副散热器电机 冷凝器风扇电机 发动机冷却电机 电子喷油泵电机 数量 （ 台）-."/01 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ’ * * * * * * * ’ ’ * * * * * * * * * * * " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 烧结 材! ! ! 料 粘结 烧结 粘结 烧结 粘结 电机名称 加速电机 机油泵电机 储油箱电机 加速压力控制电机 车架高度调整电机 制动装置电机 执行器电机 倾斜控制电机 悬架控制电机 驱动电机 里程表步进电机 侧雨刮电机 后视镜角度控制电机 后视镜上下控制电机 压缩机电机 安全带电机 头枕位置调整电机 座椅后倾电机 座椅扶手调整电机 电动窗帘电机 窗帘直线电机
! ! 摘! 要： 文章介绍了各种汽车电机对永磁材料的要求及 应用。又从国内外汽车行业发展趋势的角度， 提出汽车电机 及永磁材料的需求前景。 关键词： 汽车电机； 永磁材料； 应用； 发展前景 中图分类号： !69:;< < 文献标识码： $ 文章编号： =>>? @ :>=A （ 9>>; ） >; @ >>;A @ >9 $B8*3)(*： :.?*3;.9.6+/ 56@ 5112345+3)6 )A 1.;956.6+ 958B 6.+34 95+.;352/ A); C5;3)6/ 5*+) 9)+);/ 5;. 36+;)@*4.@ 36 +,3/ 15/B /58.D <6 5@@3+3)6， A;)9 +,. C3.- )A 5*+) +;5@. @.C.2)19.6+ +;.6@ 5+ ,)9. 56@ 5E;)5@， +,. ;.?*3;.9.6+ A*+*;. )A 1.;956.6+ 9586.+34 95+.;352/ A); 5*+) 9)+);/ 3/ 1;)1)/.@ ,.;.D C#DE+3-8： 5*+) 9)+);/； 1.;956.6+ 95+.;352； 511235+3)6； @.B C.2)19.6+ A*+*;.
! ! 据美国市场调查分析， 在豪华轿车中， 仅永磁电机就 需 45 个， 一般汽车中也需 ’( 6 ,( 个， *557 年世界汽车产 量为 7)(( 万辆， ’((( 年达 44(( 辆， 汽车工业的发展需要 增加铁氧体永磁电机磁体约 ’7 万吨。应汽车节能和环 （ 铁氧体） 保标准等要求， 假如 4(8 以上的汽车电机磁体 被 "#$%& 磁体取代， 重量上按铁氧体与粘结 "#$%& 之比 为 9: * ， 则汽车电机实际需消耗铁氧体永磁约 *’ 万吨， "#$%& 永磁约 ’ 万吨。
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 * >K 大， * >K 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 （ +; ） 、 矫顽力 （ *4 ） 、 磁能积 （ +* ） 退磁曲线形状、 磁体 9、 的温度稳定性， 尺寸、 体积与重量、 制造成本等。 汽车电机对永磁材料的一般要求： （’） 高的 * >K ， 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 + ; ， 才能确保电机有较高的转速， 大的输出 扭矩和大功率； 高的 * >N ， 可保证电机较强的过载、 退磁及抗老 （M） 化、 抗低温能力； （O） 高的 （ +*） （ +* ） 表示永磁体在电机中 9， 9 越高， 实际运行的工作系数越好； （F） 磁通量 ! 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 * >K 和 * >N 要求更高。 电机的设计是一个复杂的、 动态的设计过程， 有许多 因素要综合考虑， 但对永磁体来说， 需要在动态状态下， 并且有电流参与工作时， 有一个符合要求的气隙磁通密 度值， 这个值要适中， 且能经得住时效考验， 能克服温度 变化、 杂散磁场干扰、 振动等因素的影响， 而不会发生较 大的变化。对永磁材料的选取还将视电机在汽车中的位 置、 以及电机的结构和作用而定。
汽车电机中永磁材料的应用及其发展前景! ! ! ! ! !"
电子燃油喷射步进Βιβλιοθήκη Baidu机 *
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的微型 永 磁 直 流 电 机， 在 这 次 监 督 抽 查 中 发 现 23 4 5 "(6(% 7 #&《 电子类家用电器用电动机通用技术条件》 和 89 4 5 ""’:# 7 #$《 录音机用永磁直流电动机通用技术条 件》 已不能满足新产品发展的需要， 有关部门应尽快对此 技术条件进行修订， 以利于进行质量监督和产品质量的 提高。 （ & ）加强企业管理者的质量意识， 对于尚未建立质 量保证体系的企业应迅速有效地开展这项工作， 建立并 健全质量保证体系。通过这项工作增加质量意识， 提高 人员素质， 提高产品质量。同时， 加强技术改造， 不断适 应消费者对高品质产品的需求。 （ ( ）俗话说， 没有规矩， 不成方圆。对于一些尚未完 善的企业标准的中小企业， 应尽快制定相应的企业标准。 （ : ）由于市场因素较为复杂， 并且短期内难以改观， 因此， 建议地方质量技监部门加大监督力度， 尽最大努力 限制次差产品流入市场， 维持市场的正常秩序。 （ 无参考文献）
材! ! ! 料 粘结 烧结 粘结
铁氧体铁氧体 "#$%& "#$%& 2301 2301 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "
铁氧体铁氧体 "#$%& "#$%& 2301 2301 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "
9 永磁材料在汽车电机中的应用
当今汽车中已有 O# L H# 处用到永磁材料， 大多数用 于电机、 执行器和传感器。以汽车电机为例， 目前每辆汽 车平均使用的永磁电机就达 M# 只。采用永磁材料的永 磁电机可使汽车实现电子功率控制、 刹车控制、 驾驶操作 等功能。未来的控制功能一般都需要使用永磁材料及永 磁电机， 汽车的主驱动将更多地利用计算机控制， 这些特 点要求增加较多的小电动机， 以实现各种不同的控制功 能， 如燃料或节流控制等。高性能永磁没有励磁损耗， 不 发热。在电机设计中增加了更多的灵活性， 改变常规设 计， 包括圆盘式电机和外转子型电机的设计， 由于其惯性
! 发展前景
’((( 年世界汽车产量达 44(( 万辆， 我国产量约 ,(( 万辆。一汽的 “ 奥迪” 、 “ 捷达” 、 “ 高尔夫” 合计年产约 ’( 万辆， 需求各类电机 ,(( 万台； 二汽 “ 雪铁龙” 年产约 ,( 万辆， 需汽车电机 74( 万台； 上海 “ 桑塔纳”年产约 ,( 万 辆， 需用各类电机 4(( 万台以上； 天津 “ 夏利” 、 武汉 “神 龙” 各达 ’( 万辆， 需各类电机 ,’( 万台； 山东 ,4 万辆轿 车基地建成投产 （ *55; 年） 后需各类电机 ;(( 万台以上； 需汽车电机 9( 万 二汽 *7( 型 4 吨东风车年产 *’ 万辆， 台。以上几大类汽车共需电机约为 ’,,( 万台以上， 其中 轿车用电机在 ’((( 万台以上， 加上国产其余品牌汽车， 估计需求汽车电机在 ,’(( 万台以上， 其中轿车用电机在 ’’4( 万台上。由于各种汽车电机要求不一， 所选择的永 磁材料也不一样。铁氧体永磁广泛地用于驱动用直流小 电机， 2301 永磁主要用于测量仪表及车门锁。 "#$%& 永 磁特别是粘结 "#$%& 永磁用于汽车电机时可提高效率、 节约能耗。据报道， 美国已有 *7 种汽车改用 "#$%& 永磁 电机。奔驰公司宣称在 ’((( 年将 * + , 的汽车电机改用 "#$%& 永磁电机， 丰田公司则采取汽车电机的 "#$%& 化 来争夺市场。 由于燃油汽车排气中所含氮氧化物和浮游性粒状物 （ 下转第 7’ 页）
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= 汽车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 F#G 左右铁氧体永磁材料用于电机磁瓦， 其中 H#G 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、 体积有较大的影响。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 I@J.K 磁体， 由于其磁 性能高， 磁体的体积就相应地做得较小， 但随着稀土永磁 价格不断下降， 越来越多的汽车电机采用 I@J.K 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 #D F L ’99 ） 。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
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! ! 摘! 要： 文章介绍了各种汽车电机对永磁材料的要求及 应用。又从国内外汽车行业发展趋势的角度， 提出汽车电机 及永磁材料的需求前景。 关键词： 汽车电机； 永磁材料； 应用； 发展前景 中图分类号： !69:;< < 文献标识码： $ 文章编号： =>>? @ :>=A （ 9>>; ） >; @ >>;A @ >9 $B8*3)(*： :.?*3;.9.6+/ 56@ 5112345+3)6 )A 1.;956.6+ 958B 6.+34 95+.;352/ A); C5;3)6/ 5*+) 9)+);/ 5;. 36+;)@*4.@ 36 +,3/ 15/B /58.D <6 5@@3+3)6， A;)9 +,. C3.- )A 5*+) +;5@. @.C.2)19.6+ +;.6@ 5+ ,)9. 56@ 5E;)5@， +,. ;.?*3;.9.6+ A*+*;. )A 1.;956.6+ 9586.+34 95+.;352/ A); 5*+) 9)+);/ 3/ 1;)1)/.@ ,.;.D C#DE+3-8： 5*+) 9)+);/； 1.;956.6+ 95+.;352； 511235+3)6； @.B C.2)19.6+ A*+*;.
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上， 所以希望永磁体在退磁场作用下仍能保持高的磁感 应强度， 即要求 * >K 大， * >K 越大表示抵抗退磁场作用能力 越大。衡量永磁材料在电机中应用的关键因素是： 剩磁 （ +; ） 、 矫顽力 （ *4 ） 、 磁能积 （ +* ） 退磁曲线形状、 磁体 9、 的温度稳定性， 尺寸、 体积与重量、 制造成本等。 汽车电机对永磁材料的一般要求： （’） 高的 * >K ， 才能保证电机输出所需的磁动势， 使 电机工作点靠近最大磁能积， 充分利用磁钢的能力； （"） 高的 + ; ， 才能确保电机有较高的转速， 大的输出 扭矩和大功率； 高的 * >N ， 可保证电机较强的过载、 退磁及抗老 （M） 化、 抗低温能力； （O） 高的 （ +*） （ +* ） 表示永磁体在电机中 9， 9 越高， 实际运行的工作系数越好； （F） 磁通量 ! 越大越好， 这将极大地提高电机的工 作效率。 随着汽车电机向轻量、 小型、 高效化发展， 要求磁体 厚度越来越薄， 为保证磁性能的稳定性和电机输出功率、 电压的稳定性， 对 * >K 和 * >N 要求更高。 电机的设计是一个复杂的、 动态的设计过程， 有许多 因素要综合考虑， 但对永磁体来说， 需要在动态状态下， 并且有电流参与工作时， 有一个符合要求的气隙磁通密 度值， 这个值要适中， 且能经得住时效考验， 能克服温度 变化、 杂散磁场干扰、 振动等因素的影响， 而不会发生较 大的变化。对永磁材料的选取还将视电机在汽车中的位 置、 以及电机的结构和作用而定。
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9 永磁材料在汽车电机中的应用
当今汽车中已有 O# L H# 处用到永磁材料， 大多数用 于电机、 执行器和传感器。以汽车电机为例， 目前每辆汽 车平均使用的永磁电机就达 M# 只。采用永磁材料的永 磁电机可使汽车实现电子功率控制、 刹车控制、 驾驶操作 等功能。未来的控制功能一般都需要使用永磁材料及永 磁电机， 汽车的主驱动将更多地利用计算机控制， 这些特 点要求增加较多的小电动机， 以实现各种不同的控制功 能， 如燃料或节流控制等。高性能永磁没有励磁损耗， 不 发热。在电机设计中增加了更多的灵活性， 改变常规设 计， 包括圆盘式电机和外转子型电机的设计， 由于其惯性
! 发展前景
’((( 年世界汽车产量达 44(( 万辆， 我国产量约 ,(( 万辆。一汽的 “ 奥迪” 、 “ 捷达” 、 “ 高尔夫” 合计年产约 ’( 万辆， 需求各类电机 ,(( 万台； 二汽 “ 雪铁龙” 年产约 ,( 万辆， 需汽车电机 74( 万台； 上海 “ 桑塔纳”年产约 ,( 万 辆， 需用各类电机 4(( 万台以上； 天津 “ 夏利” 、 武汉 “神 龙” 各达 ’( 万辆， 需各类电机 ,’( 万台； 山东 ,4 万辆轿 车基地建成投产 （ *55; 年） 后需各类电机 ;(( 万台以上； 需汽车电机 9( 万 二汽 *7( 型 4 吨东风车年产 *’ 万辆， 台。以上几大类汽车共需电机约为 ’,,( 万台以上， 其中 轿车用电机在 ’((( 万台以上， 加上国产其余品牌汽车， 估计需求汽车电机在 ,’(( 万台以上， 其中轿车用电机在 ’’4( 万台上。由于各种汽车电机要求不一， 所选择的永 磁材料也不一样。铁氧体永磁广泛地用于驱动用直流小 电机， 2301 永磁主要用于测量仪表及车门锁。 "#$%& 永 磁特别是粘结 "#$%& 永磁用于汽车电机时可提高效率、 节约能耗。据报道， 美国已有 *7 种汽车改用 "#$%& 永磁 电机。奔驰公司宣称在 ’((( 年将 * + , 的汽车电机改用 "#$%& 永磁电机， 丰田公司则采取汽车电机的 "#$%& 化 来争夺市场。 由于燃油汽车排气中所含氮氧化物和浮游性粒状物 （ 下转第 7’ 页）