《電子技術應用》
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詳解磁性材料在汽車電子器件中的應用

2018-07-26
關鍵詞: 磁性材料 汽車電子

  汽車電子的發展對磁性材料的要求

  通常地,對汽車用磁性材料的要求是各類電機對永磁材料的要求。

  用作永磁電機的磁體,一般要求有高的磁性能,從而產生較大的氣隙磁場;磁性能穩定性好,溫度系數小;有較高的 工作溫度,以防止高溫下退磁;有較好的機械性能和較低廉的價格。根據永磁電機的種類和結構不同,選擇永磁體時考慮的出發點也不同。

  汽車用永磁電機,一般從 價格上考慮較多,故多選用鐵氧體磁體,高性能的稀土NdFeB磁體,由于其磁性能高,磁體的體積就相應地做得較小,隨著稀土永磁價格不斷下降,越來越多的 汽車電機采用NdFeB稀土永磁材料。

  永磁體裝在電機上時,要與電機轉子或定子產生一定距離大小的氣隙(一般為0.5~1mm)。因此必然在 氣隙兩側永磁體的表面上產生磁極,這種磁極在磁體內部產生一退磁場,其方向與原來磁化時的外磁場方向相反,而且氣隙越大,退磁場越強。這就是說永磁體是處 于退磁場作用下進行工作,而且就工作在退磁曲線的某一點上,所以希望永磁體在退磁場作用下仍能保持高的磁感應強度,即要求HCB要大,HCB越大表示抵抗 退磁場作用能力越大。

  衡量永磁材料在電機中應用的關鍵因素是:剩磁(Br)、矯頑力(Hc)、磁能積(BH)m、退磁曲線形狀、磁體的溫度穩定性,尺寸、 體積與重量、制造成本等。

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  汽車永磁電機對永磁材料的一般要求:

  1、高的HCB,才能保證電機輸出所需的磁動勢,使電機工作點靠近最大磁能積,充分利用磁鋼的能力;

  2、高的Br,才能確保電機有較高的轉速、大的輸出扭矩和大功率;

  3、高的HCJ,可保證電機較強的過載、退磁及抗老化、抗低溫能力;

  4、高(BH)m,(BH)m越高,表示永磁體在電機中實際運行的工作系數越好;

  5、磁通量Ф越大越好,這將極大地提高電機的工作效率;

  隨著汽車電機向輕量、小型、高效率化發展,要求磁體厚度越來越薄,為保證磁性能的穩定性和電機輸出功率、電壓的穩定性,對HCB和HCJ要求更高。

  表1 汽車各部位的最高溫度

  汽車部位最高溫度發動機150℃儀表板140℃ 底盤 85℃外部121℃儀表板(頂部)113℃ 儀表板(其它部位)85℃尾部面板107℃裝貨室85℃

  根據電機在汽車上不同的位置、結構和作用,對永磁材料的要求也各不相同。比如汽車各部分溫度不同,對所用材料的耐熱要求也不同,耐熱標準一般是指不可逆 退磁小于3%。這樣就要求材料有高的內稟矯頑力。這是由于磁性元器件關系到汽車正常運轉和各功能的實施。因此耐熱性是防止交通事故,確保人員和財產安全的 重要指標之一。表1列出了汽車各部位的最高溫度。

  由于永磁鐵氧體原材料豐富、價格低廉、居里溫度高、溫度系數小及耐腐蝕性好,適于工作環 境較惡劣的汽車電機應用。故目前或將來較長一段時間內,電機中永磁鐵氧體仍占較大比例。尤其是永磁鐵氧體材料性能近年來不斷提高,能更好地滿足汽車電機發 展的需要。今后的趨勢是:中低檔鐵氧體將被高檔永磁鐵氧體取代,需要小型化、高性能化永磁電機將不斷增多,其所用磁性材料隨著釹鐵硼材料價格的下降而被越 來越多地使用,對NdFeB的要求是其抗蝕性和耐熱性要好。

  現對幾種主要電機對鐵氧體的要求作一簡單分析。

  啟動電機

  由于啟動電 機安裝在發動機上,必須面對嚴峻的工作環境,如高溫、低溫、塵埃或鹽水,只有鐵氧體材料能完全適用,因此現在啟動電機95%左右批量采用瓦形永磁鐵氧體。 根據啟動電機電磁轉矩公式(M=cmφIa)要使電磁轉矩大,就要磁體有高的(BH)max和Br值。另外,由于磁體受溫度變化影響,因此要求其磁通不可 逆損失≤5%(有的廠家要求≤3%),因此又要求磁體有高的HCJ值。現在啟動電機用鐵氧體磁性能Br值一般在380mT以上,HCJ至少為 358kA/m。隨著整車廠對啟動電機特性要求的提高以及對啟動電機體積和質量的減小,已有一些電機制造商采用Br為430mT和HCJ為395kA/m 的永磁鐵氧體磁瓦。

  雨刮器電機

  雨刮器電機對磁性能HCJ取值要求雖無啟動電機高,但也要求做低溫沖擊退磁試驗,多數用戶要求磁通變化小于5%,也有些用戶要求小于3%,將來雨刮器電機的體積與質量比現在要縮小20%左右,因此Br值達450mT的磁體即將用在雨刮器電機上。

  燃油泵電機

  由于燃油泵是連續較平穩地運行的,又整體浸在汽(柴)油中,工作溫度穩定,故對HCJ要求比上述兩種低些。但燃油泵體積很小,要求高的磁通量,故對Br 和(BH)max值要求高些。現在大批量用一般Br要求達到420mT,(BH)max要求達到33kJ/m3。又由于燃油泵電機整體安裝在油箱中,故對 磁瓦外觀與清潔度有嚴格要求,不允許有紅粉、掉角、碎片出現。已有公司采用Br達460mT的磁瓦,用于燃油泵電機,進一步減小體積。

  隨著汽 車電子技術進步,汽車中的電子控制系統、音響系統、影像系統等所用的軟磁材料也越來越多。這些設備對軟磁材料及元器件總的要求是高磁導率、高飽和磁通密 度、高頻下低損耗、高輸出功率、高溫工作穩定性等,在汽車導航、雷達識別及全球定位系統中應該重點關注軟磁器件的抗電磁干擾特性,選擇使用高性能和高可靠 性的EMI(EMC)材料。

  由于汽車部件通常有兩萬之多,而其中磁性部件也有多達數千個,本文不對它們的要求作具體分析。另外,隨著汽車電子的快速發展,將來汽車中新的電子器件配置,對磁性材料及器件的新應用又有新的要求。

  永磁材料在汽車電子器件中的應用

  當今每輛汽車中已有40~70處用到永磁材料,大多數用于電機、執行器和傳感器。以汽車電機為例,目前每輛汽車平均使用的永磁電機就超過30只。采用永 磁材料的永磁電機可幫汽車實現電子功率控制、剎車控制、駕駛操作等功能。未來的控制功能一般都需要使用永磁材料及永磁電機,汽車上的主驅動將更多地利用計 算機控制,這些特點要求增加很多小的電動機,以利用各種不同的控制功能,如燃料或節流控制等。高性能永磁沒有激磁損耗,不發熱。在電機設計中增加了更多的 靈活性,改變常規設計,包括圓盤式電機和外轉子型電機的設計,由于其慣性小、電抗低,可達到更好的動態特性和高速度能力,完全滿足現代汽車對發動機高功率 與電子系統高可靠的要求。

  永磁材料的不斷發展又給汽車電機工業帶來了福音。隨著汽車永磁電機向小型化、輕量化、高效率化的不斷發展,以 NdFeB,特別是粘結NdFeB永磁材料為代表的高性能稀土永磁材料由于價格不斷下降逐漸取代部份傳統的鐵氧體永磁電機,如用于啟動電機、發電機、自動 剎車,以及油泵電機、空調電機等,今后將廣泛用于操縱系統。通用汽車公司自80年代末即開始采用NdFeB粘結磁體于一些車型的啟動電機,在等同的輸出力 矩下,用NdFeB的啟動電機重量減輕一半,體積縮小1/3,效率提高。目前汽車中永磁材料,主要用于電機、執行器和傳感器。以電機為例,中低檔轎車要用 到30多臺,豪華轎車使用70多臺,有的甚至多達100多臺。現在汽車上用的永磁材料一般有永磁鐵氧體、NdFeB永磁、SmCo永磁和AlNiCo永 磁。下面分析介紹其主要應用。

  永磁鐵氧體的典型應用

  啟動電機、刮水器電機、發動機冷卻風扇電機、調壓式刮水器臂用電機、座椅 自動調節用電機、空調器電機、轉向聯動用霧燈電機、前照燈矯正裝置用電機、電動速度表用電機、電動轉向無刷電機、電動水泵、電動油泵、電子空調器、揚聲 器、傳感器(位置、速度、壓力等)等汽車部件,均需用到永磁鐵氧體。具體應用情況見表2(詳見《磁性材料與應用產業資訊》2005年11期)。

  NdFeB永磁體的主要應用

  混合電動汽車用NdFeB永磁無刷直流電機

  近年來,由于世界范圍內資源、環境問題日益突出,石油價格猛漲,各國都在加緊實施電動汽車的研發計劃,混合動力車(HEV)和燃料電池車(FCEV)成 為新的熱點。混合動力電動汽車同時擁有電機驅動和發動機驅動系統,這種油和電混合使用的新型交通工具將受到人們青睞。稀土永磁無刷直流電機是其核心部件, 這是實現各種工作模式的關鍵,直接影響電動汽車的性能。該無刷電機基本構成與普通無刷電機一樣,主要由永磁電機本體、功率電子換向器和轉子位置傳感器等組 成,主要特點是軸向厚度尺寸小、重量輕、輸出功率大、效率高,集電動、發電及制動功能于一體,并能頻繁地進行電動和發電可逆工作。

  發電裝置

  隨著農村經濟的發展,我國農用運輸車的產量不斷增加,年產300萬輛以上。目前小型農用車所采用的發電機主要是永磁交流發電機,存在低速時照明效果差的 問題,從而容易造成這種車夜間行駛或路況差轉向時易發生交通事故,并且不能直接給車輛駕駛棚的刮雨器、暖風機等提供直流電源。因此稀土永磁發電裝置應運而 生,其電壓輸出穩定,成本低,性能可靠。該裝置包括電子穩壓器、發電機殼蓋、定子(由鐵心、線圈構成)以及轉子(由軸、鐵心和NdFeB永磁體構成)。這 種將發電機與電子穩壓器設計為一體并采用高性能稀土永磁體作磁極的發電裝置能實現直流恒壓輸出,體積小,重量輕,成本低,使用安全可靠,解決了汽車夜間照 明、轉向指示、電喇叭、刮雨器、暖風機等設施所需的直流電源。

  隨著NdFeB抗蝕技術發展,性價比下降,NdFeB在汽車中的應用也越來越多。

  AlNiCo和SmCo

  由于它們均含戰略物資Co,因而在汽車中應用有所限制。但由于AlNiCo的磁性優于鐵氧體,而抗蝕性又優于NdFeB,故仍有些部件要用它。表2列出了上述幾種材料在汽車各部件電機中的應用情況。

  隨著汽車永磁電機向小型化、輕量化和高效率化的不斷發展,以NdFeB(尤其是粘結NdFeB)永磁材料為代表的高性能稀土永磁材料由于價格不斷下降逐 漸取代部分傳統鐵氧體永磁電機,如用于啟動電機、發電機、自動剎車,以及油泵電機、空調電機等,今后將廣泛用于操縱系統。

  另外,對汽車高速、 安全、舒適的要求,使得其電子化程度越來越高。汽車上需用的磁性材料也越來越多。例如在車載毫米波系統、電子控制系統、通信系統、車載音響、電視、多媒 體、路邊攝像機等設備,即需用到永磁體磁場、永磁傳感器、執行器、磁釘、永磁軸承、永磁支撐與夾具、新型功能微電機等等。

  軟磁材料在汽車電子器件中的應用

  隨著汽車技術和電子技術的發展,高頻、微型、超薄型、抗EMI/RFI、低功耗、組件化、智能化等性能優良的車用磁性元器件應運而生,以滿足節能、環保 和電子信息設備數字化、多功能、智能化、輕便、靈巧等多種需要。軟磁材料尤其是非晶超微晶和磁性薄膜在這里大有用武之地。下面簡單介紹一下軟磁材料在汽車 中的應用情況。

  感應電動機

  雖然目前大多數用永磁材料,但美歐的電動汽車,很多使用高頻低損耗金屬軟磁材料作磁芯的感應電動機,其最高輸出功率為70~100kW。

  傳感器

  一輛普通轎車有數十上百只傳感器,豪華車上的傳感器數字可多達200多只。其種類一般有30多種,多則達百余種。軟磁材料在其中的應用也不可缺少,例如用熱敏鐵氧體和金屬材料作的溫度傳感器、露傳感器、熱敏開關、熱簧繼電器、電磁感應線圈。

  車載毫米波系統

  此處所用電源大多為開關電源,其主變壓器、扼流圈、噪聲濾波器,可用高檔功率鐵氧體、高導軟磁鐵氧體或非晶軟磁合金、鐵基納米晶合金作磁芯組件。如多種 電感器、變壓器、繼電器、環行器、隔離器、濾波器、開關、調制器、振蕩器、移相器等。用于通信中,軟磁元件的主要作用是:作加感線圈,降低信息衰減,增長 通信距離;作信道濾波器,選擇與分離信道信號,防止失真;作線性寬帶變換器和脈沖變壓器,分離電位,調節電壓并轉換效率;作扼流圈,濾除不需要的高頻電 流;等等。

  照明系統

  照明高壓變壓器、鎮流器和振蕩器變壓器需要軟磁材料作磁芯。

  車載音響、電視、影像系統

  這里需要大量的電感器、濾波器、共模扼流圈、變壓器等。要用多種鐵氧體磁芯系列,如BB,RH,T,SH,DR,EE,ER系列等。


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