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永磁电机造就新能源汽车“强大内心”

2019-10-09 10:39:46

  前不久,随着吉利汽车、中通客车等国内知名车企的电动车下线,精进百思特电动(上海)有限公司(以下简称精进电动)牵头研发的新能源汽车高性能永磁电机已经装机超7万台。

  从功率密度4.2—5.3kW/kg的第一代圆股线绕组电机,到功率密度6.3kW/kg的第二代扁铜线绕组电机,永磁电机的产品和样件指标,均比肩或超过欧美日韩等一线汽车电机制造商的产品水平。

  两年来,该公司等17家单位在国家“十三五”重点研发计划新能源汽车驱动电机专项中,带动上游产业链突破技术瓶颈、填补了多项国家技术和产品空白。其中,高端稀土永磁体的重稀土使用量,降低近50%;绝缘材料长期耐温超200℃,圆电磁线耐电晕寿命达国标数倍以上;漆包扁线耐电晕寿命大于90小时……

  部分曾经依赖进口的原材料、核心部件与器件等已经实现自主研发和生产,有的材料不仅使用寿命比国外翻番,成本也仅为国外的六成。

  截至2019年6月30日,该项目的第一代圆股线绕组电机累计在乘用车装车6.8万台,商用车装车近4000台。

  驱动电机比肩世界一流汽车电机制造商

  新能源汽车的发展离不开电驱动的核心零部件——电机系统。高速高效高可靠性的电机,能让新能源电动车的能耗更低、寿命更长。

  电机的电流是靠绕组传导的,绕组之间以及绕组与铁芯之间需要绝缘。而低电阻和绝缘可靠是对电机绕组的基本要求。

  21世纪初,知名电机专家蔡蔚,就曾发明“发卡式绕组”电机,后被应用于通用汽车雪弗兰Tahoe混合动力车,这是全球第一个“发卡式绕组”电机在汽车电驱动领域的应用。

  自2017年启动国家重点研发计划以来,蔡蔚作为专项负责人带领精进电动等单位,完成了功率密度4.2kW/kg的第一代圆股线绕组电机的技术创新、批量生产与装车应用。

  同时,第二代扁电磁线绕组电机也已经完成样件制造和性能测试,进入试验认证环节。通过巧妙设计,他们解决了多并联支路波形绕组排布拓扑问题,调节冷却和焊接参数,攻克多套薄扁线电机绕组制造难题,提高了电机极对数和转速,把电机做得更小,铜线、硅钢片等材料用得更少,单位功率耗材更少,性价比更高。

  “功率密度从4.3kW/kg提高到6.3kW/kg,超过了美国通用Bolt电机4.6kW/kg的功率密度和宝马i3电机的3.8kW/kg的功率密度,也超过了美国规划的其2025年新能源汽车电机5.7kW/kg的指标。”蔡蔚说。

  在此基础上,第三代换位导体绕组电机也已经启动研发。

  高端永磁体重稀土用量降五成

  在全球新能源汽车电驱动中,永磁电机占比近90%。在永磁体中加入镝、铽等重稀土,可以保持剩磁并提高矫顽力。“但是,重稀土在稀土矿中的储量较少,而随着新能源电动车的普及,国内外大规模生产稀土永磁电机,重稀土的使用将会面临资源短缺瓶颈。”蔡蔚说,一些发达国家已经将低重稀土永磁体用于电机产品中。

  《中国的稀土状态与政策》白皮书曾指出,中国以23%的稀土资源承担了世界90%以上的市场供应。

  但我国的稀土永磁体制备和永磁电机曾长期受制于日本。“以前日本买中国的稀土永磁原材料,做成永磁体甚至电机后,再高价卖给我们或出口欧美。”蔡蔚说。

  如何高效使用重稀土资源,以避免资源短缺又降低成本?在该国家专项中,蔡蔚牵头,联合烟台首钢磁性材料股份有限公司,研发渗滴技术和晶格细化技术,将重稀土使用量最高减少五成。

  “以往,往往会把镝或铽等重稀土,像揉面一样,与其他永磁体原材料揉在一起。现在通过细化晶格,将重稀土渗入磁体,哪里需要渗到那里,用量少而精准。”

  蔡蔚介绍,研发人员们用晶粒度细化和微观结构一致性工艺,填补了国内细粉工艺的空白,量产35EH磁体的镝含量,由7wt%—8wt%降低到5wt%,减少重稀土使用量20%以上。同时,他们将细粉工艺与扩散工艺相结合,42EH磁体的铽含量,由8wt%降低到等效镝4.5%,减少重稀土使用量40%—50%。

  部分绝缘材料耐电晕寿命达国标10倍以上

  作为新能源汽车的心脏,驱动电机中有很多电磁线。电磁线和绝缘材料如果耐受不了电机运行中的高电压、高温、高电压变化率,就容易被击穿,降低电机使用寿命。

  而我国生产的耐电晕绝缘材料,其原料基本来自国外厂家,“例如纳米粒子改性聚酯亚胺等原材料和耐电晕柔软复合纸等,随时会遭遇卡脖子。”蔡蔚说,卖方市场的强势,让国内用户无可奈何。

  在该项目中,蔡蔚联合苏州巨峰绝缘材料有限公司(以下简称巨峰),用纳米粒子与漆包线漆基体树脂的复合技术,突破纳米粒子在漆包线漆基体树脂中难分散的技术瓶颈,制备了均匀分散的纳米分散液,成功制备耐电晕漆包线漆。

  目前,巨峰研发的耐电晕聚酯亚胺浸渍树脂,长期使用温度超过200℃。其研发的耐电晕漆包扁线耐电晕实验寿命大于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大于100小时,达国家标准要求的10倍以上。

  今年9月,中共中央、国务院印发了《交通强国建设纲要》,强化前沿关键科技研发,瞄准新一代信息技术、人工智能、智能制造、新材料、新能源等世界科技前沿,被写入《纲要》。

  在蔡蔚看来,汽车产业是公路交通的重中之重,“汽车核心零部件强,我国汽车产业则强”。(金凤)

来源:科技日报
编辑:孙仕奇

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