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永磁电机造就新能源汽车“强大内心”

[ 时间:2019-11-10 18:10:41 ]

资料来源:《科学技术日报》

“生命之门”在自己手中

金锋

不久前,随着吉利汽车、中通客车等国内知名汽车公司下线,在金靖beste电气(上海)有限公司(以下简称金靖电气)的领导下,安装了7万多台新能源汽车用高性能永磁电机。

从功率密度为4.2-5.3千瓦/公斤的第一代圆股绕组电机到功率密度为6.3千瓦/公斤的第二代扁铜线绕组电机,永磁电机的产品和样品指标与欧美、日本、韩国等一线汽车电机制造商的产品水平相当或超过。

近两年来,公司和其他17家单位带动上游产业链突破技术瓶颈,填补了新能源汽车驱动电机专项中国家技术和产品的诸多空白,这是“十三五”国家重点研发计划。其中,高端稀土永磁体中重稀土的使用量下降了近50%。绝缘材料的长期耐温性超过200℃,圆形电磁线的耐电晕寿命达到国家标准的几倍。漆包线耐电晕寿命超过90小时。

过去依赖进口的一些原材料、核心部件和设备已经独立开发和生产。有些材料不仅使用寿命是国外的两倍,而且成本仅为国外的60%。

截至2019年6月30日,该项目第一代圆股绕组电机已有68,000台装在乘用车上,近4,000台装在商用车上。

驱动电机与世界级汽车电机制造商不相上下。

新能源汽车的发展离不开电动马达系统的核心部件。高速、高效、高可靠性的电机可以降低能耗,延长新能源电动汽车的使用寿命。

电动机的电流由绕组传导。绕组之间以及绕组和铁芯之间需要绝缘。然而,低电阻和可靠的绝缘是电机绕组的基本要求。

21世纪初,著名电机专家蔡威发明了“发夹绕组”电机,后来应用于通用汽车的雪佛兰太浩混合动力车。这是“发夹绕组”电机在汽车电驱动领域的首次应用。

自2017年国家重点研发计划启动以来,蔡威作为专项总监,带领进步电气等单位完成了功率密度为4.2kw/kg的第一代圆股绕组电机的技术创新、批量生产和加载应用。

同时,第二代扁平电磁线绕组电机也完成了样品制造和性能测试,并进入测试认证阶段。通过巧妙的设计,解决了多并联支路波绕组布置的拓扑问题,调整了冷却和焊接参数,解决了多组细扁线电机绕组的制造问题,提高了电机的极数和转速,使电机体积更小,使用的铜线、硅钢片等材料更少,单位功率消耗的材料更少,性价比更高。

“功率密度从4.3千瓦/千克增加到6.3千瓦/千克,超过了美国通用螺栓电机的4.6千瓦/千克和宝马i3电机的3.8千瓦/千克的功率密度,也超过了美国计划的2025年新能源汽车电机目标5.7千瓦/千克。”蔡威说。

在此基础上,具有第三替代位置的导体绕组电机的研发也已开始。

高端永磁体重量稀土消耗量下降50%

永磁电机占世界新能源汽车电力驱动的近90%。向永磁体中添加镝和铽等重稀土可以保持剩磁并提高矫顽力。“然而,稀土矿的重稀土储量相对较小。随着新能源电动汽车的普及和稀土永磁电机在国内外的大规模生产,重稀土的使用将面临资源短缺的瓶颈蔡威说,一些发达国家已经在汽车产品中使用了低重量稀土永磁体。

《中国稀土现状与政策》白皮书指出,中国占全球市场供应量的90%以上,稀土资源占全球市场供应量的23%。

然而,中国的稀土永磁系统和永磁电机一直由日本控制。日本过去常常购买中国稀土永磁材料,制造永磁体,甚至电机,然后卖给我们或以高价出口到欧美蔡威说。

如何有效利用重稀土资源,避免资源短缺,降低成本?在国家专项项目中,蔡威牵头与烟台首钢磁性材料有限公司联合研发渗透技术和晶格细化技术,将重稀土的使用量减少50%。

“过去,镝或铽等重稀土经常与面团等其他永磁原料揉捏在一起。现在,通过细化晶格,重稀土被渗透到磁体中,在磁体中需要渗透,剂量小而准确。”

蔡威说,研究人员利用晶粒细化和显微组织一致性技术填补了我国细粉技术的空白。35eh磁体的镝含量从7-8 wt%降低到5wt%,重稀土用量减少20%以上。同时,他们将细粉工艺与扩散工艺相结合。42eh磁体铽含量由当量镝的8wt%降至4.5%,重稀土用量减少40%-50%。

一些绝缘材料的耐电晕寿命达到国家标准的10倍以上。

作为新能源汽车的心脏,驱动电机中有许多电磁线。如果电磁线和绝缘材料在电机运行过程中不能承受高电压、高温和高电压变化率,它们将很容易损坏,电机的使用寿命将会缩短。

然而,我国生产的耐电晕绝缘材料基本上来自国外制造商,“如纳米粒子改性聚酯亚胺等原材料和耐电晕软复合纸等。,这将在任何时候遇到瓶颈。”蔡威表示,卖方市场的强势让国内用户束手无策。

本项目中,蔡威与苏州聚风绝缘材料有限公司(以下简称聚风)合作,利用纳米粒子与漆包线漆基体树脂的复合技术,突破了纳米粒子难以分散在漆包线漆基体树脂中的技术瓶颈,制备出分散均匀的纳米分散溶液,成功制备出耐电晕漆包线漆。

目前,聚丰开发的耐电晕聚酯亚胺浸渍树脂的长期使用温度超过200℃。公司开发的耐电晕漆包线耐电晕实验寿命超过90小时,填补了国内空白,超过了国际竞争对手的指标。耐电晕漆包圆线耐电晕寿命超过100小时,是国家标准的10倍以上。

今年9月,党中央、国务院发布了《建设交通强国纲要》,加强关键前沿技术的研发,瞄准新一代信息技术、人工智能、智能制造、新材料、新能源等世界前沿技术。它被写进了大纲。

在蔡威看来,汽车工业是公路交通的重中之重,“汽车的核心部件是强大的,而中国的汽车工业是强大的”。

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