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永磁电机造就新能源汽車“强大内心”

2019年10月09日09:33  來源:科技日報

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  永磁电机造就新能源汽車“强大内心”

  把“命門”掌握在自己手中

  金 凤

  前不久,随着吉利汽車、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車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,永磁电机的产物和样件指标,均比肩或凌驾欧美日韩等一线汽車电机制造商的产物水平。

  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車驱动电机专项中,带动上游产业链突破技术瓶颈、填补了多项国家技术和产物空白。其中,高端稀土永磁体的重稀土使用量,降低近50%;绝缘质料恒久耐温超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……

  部门曾經依賴進口的原质料、核心部件與器件等已經實現自主研發和生産,有的质料不僅使用壽命比國外翻番,成本也僅爲國外的六成。

  截至2019年6月30日,該項目的第一代圓股線繞組電機累計在乘用車裝車6.8萬台,商用車裝車近4000台。

  驱动电机比肩世界一流汽車电机制造商

  新能源汽車的进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。

  電機的電流是靠繞組傳導的,繞組之間以及繞組與鐵芯之間需要絕緣。而低電阻和絕緣可靠是對電機繞組的基本要求。

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

  自2017年啓動國家重點研發計劃以來,蔡蔚作爲專項負責人帶領精進電動等單位,完成了功率密度4.2kW/kg的第一代圓股線繞組電機的技術創新、批量生産與裝車應用。

  同時,第二代扁電磁線繞組電機也已經完成樣件制造和性能測試,進入試驗認證環節。通過巧妙設計,他們解決了多並聯支路波形繞組排布拓撲問題,調節冷卻和焊接參數,攻克多套薄扁線電機繞組制造難題,提高了電機極對數和轉速,把電機做得更小,銅線、矽鋼片等质料用得更少,單位功率耗材更少,性價比更高。

  “功率密度从4.3kW/kg提高到6.3kW/kg,凌驾了美国通用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,也凌驾了美国规划的其2025年新能源汽車电机5.7kW/kg的指标。”蔡蔚说。

  在此基礎上,第三代換位導體繞組電機也已經啓動研發。

  高端永磁體重稀土用量降五成

  在全球新能源汽車电驱动中,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物中。

  《中國的稀土狀態與政策》白皮書曾指出,中國以23%的稀土資源承擔了世界90%以上的市場供應。

  但我國的稀土永磁體制備和永磁電機曾長期受制于日本。“以前日本買中國的稀土永磁原质料,做成永磁體甚至電機後,再高價賣給我們或出口歐美。”蔡蔚說。

  如何高效使用重稀土資源,以幸免資源短缺又降低成本?在該國家專項中,蔡蔚牽頭,聯合煙台首鋼磁性质料股份有限公司,研發滲滴技術和晶格細化技術,將重稀土使用量最高減少五成。

  “以往,往往會把镝或铽等重稀土,像揉面一樣,與其他永磁體原质料揉在一起。現在通過細化晶格,將重稀土滲入磁體,哪裏需要滲到那裏,用量少而精准。”

  蔡蔚介紹,研發人員們用晶粒度細化和微觀結構一致性工藝,填補了國內細粉工藝的空白,量産35EH磁體的镝含量,由7wt%—8wt%降低到5wt%,減少重稀土使用量20%以上。同時,他們將細粉工藝與擴散工藝相結合,42EH磁體的铽含量,由8wt%降低到等效镝4.5%,減少重稀土使用量40%—50%。

  部门絕緣质料耐電暈壽命達國標10倍以上

  作为新能源汽車的心脏,驱动电机中有很多电磁线。电磁线和绝缘质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。

  而我國生産的耐電暈絕緣质料,其原料基本來自國外廠家,“例如納米粒子改性聚酯亞胺等原质料和耐電暈柔軟複合紙等,隨時會遭遇卡脖子。”蔡蔚說,賣方市場的強勢,讓國內用戶無可奈何。

  在該項目中,蔡蔚聯合蘇州巨峰絕緣质料有限公司(以下簡稱巨峰),用納米粒子與漆包線漆基體樹脂的複合技術,突破納米粒子在漆包線漆基體樹脂中難分散的技術瓶頸,制備了均勻分散的納米分散液,乐成制備耐電暈漆包線漆。

  目前,巨峰研發的耐電暈聚酯亞胺浸漬樹脂,長期使用溫度超過200℃。其研發的耐電暈漆包扁線耐電暈實驗壽命大于90小時,填補了國內空白,超過了國際競爭對手的指標。耐電暈漆包圓線耐電暈壽命大于100小時,達國家標准要求的10倍以上。

  今年9月,中共中央、國務院印發了《交通強國建設綱要》,強化前沿關鍵科技研發,瞄准新一代信息技術、人工智能、智能制造、新质料、新能源等世界科技前沿,被寫入《綱要》。

  在蔡蔚看来,汽車产业是公路交通的重中之重,“汽車核心零部件强,我国汽車产业则强”。


文章關鍵詞:永磁电机 新能源汽車 責編:張迪弛
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