規(guī)避采購風(fēng)險的兩種驅(qū)動電機(jī)

董 輝

1 驅(qū)動電機(jī)的市場預(yù)測與稀土原材料采購背景

根據(jù)矢野研究所2018年5月1日發(fā)表的車載電機(jī)的世界市場的調(diào)查結(jié)果，以車輛的生產(chǎn)輛數(shù)為基數(shù)，2016年的車載電機(jī)達(dá)到29億9900萬個。2020年為2016年的1.2倍，達(dá)到36億7800萬個；為2015年的1.5倍，達(dá)到44億7100萬個。

在市場持續(xù)擴(kuò)大的背后，與日益苛刻的環(huán)境法規(guī)相應(yīng)，歐洲及中國等世界范圍的動向是努力發(fā)展節(jié)省燃油的技術(shù)，以提高安全性與便利性為目的發(fā)展電動化。由此，動力傳動系統(tǒng)及底盤等裝用的電機(jī)也在增多。

其中驅(qū)動電機(jī)2016年的世界市場為428萬個，據(jù)預(yù)測，2020年將是2016年的2.3倍，達(dá)970萬個，2025年將是2016年的4.9倍，達(dá)2080萬個。從目前狀況來看，雙電機(jī)方式的混合動力車 （HV）占市場的大部分。隨著純電動汽車 （EV）及插電式混合動力車 （PHEV）等需求的增加，單電機(jī)式混合動力車將會進(jìn)一步普及，但驅(qū)動電機(jī)的市場規(guī)模大概不會超過車輛數(shù)的增加。

與燃油車相比，HV裝用的電機(jī)數(shù)量在增加，這對車載電機(jī)的市場動向會有較大的影響，尤其是隨著HV的普及，對驅(qū)動電機(jī)的需求會不斷增多。但難以指望驅(qū)動電機(jī)的成本會大幅度降低。隨著HV的普及、批量生產(chǎn)的效應(yīng)，驅(qū)動電機(jī)的價格或許會緩慢地低落，但因電機(jī)的占地對裝車便利性的影響，其質(zhì)量及效率對油耗、行駛里程的影響，都會對HV用電機(jī)的效率提出更高的要求。

另一方面，近年來中國出于保護(hù)資源和環(huán)境的目的，對稀土出口進(jìn)行了宏觀調(diào)控。日本、美國、歐洲等世界上最主要的稀土資源需求國和組織，一方面表示抗議，認(rèn)為中國違反了世貿(mào)規(guī)則，向世界貿(mào)易組織 （WTO）提出訴訟。另一方面，也開始積極采取多元化戰(zhàn)略以應(yīng)對稀土供應(yīng)緊張的形勢，試圖擺脫"稀土進(jìn)口對華依賴"。早在2011年2月，《英國金融時報》就報道，由于稀土價格波動劇烈，美國企業(yè)正悄悄投資于另類技術(shù)，并改進(jìn)制造流程，以減少對稀土的需求。稀土是很多美國企業(yè)最為看好的清潔能源產(chǎn)品所必需的原材料。通用汽車每生產(chǎn)一輛電動雪佛蘭沃特汽車 （Chevy Volt），需要使用約3.2kg的稀土磁鐵。通用汽車也開發(fā)出了不使用稀土磁鐵的產(chǎn)品，比如2012年款別克君越 （BuickLa Crosse）將搭載的eAssist混合動力發(fā)動機(jī)。

目前日本為謀求實際利益，開始四處尋找稀土資源之外，日本電產(chǎn)等企業(yè)也在積極開發(fā)新技術(shù)，在電動汽車和混合動力汽車的發(fā)動機(jī)中采用稀土原料的替代物，謀求擺脫對稀土的依賴。正如日本科研界信奉的名言：“需要是發(fā)明之母，需要是發(fā)現(xiàn)之母”，技術(shù)方面的關(guān)鍵在于日本正盡全力研發(fā)中的稀土代替技術(shù)能否取得突破。東芝正在開發(fā)利用代替材料研制的新型汽車發(fā)動機(jī)永磁體，新型永磁體將大幅減少使用稀土類金屬。

釹鐵硼永磁是所有永久磁鐵中磁特性最好的一種，在硬盤、產(chǎn)業(yè)用電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等多個領(lǐng)域都要用到。對汽車驅(qū)動電機(jī)來說更是不可缺少的材料。一輛微混HEV用10kW左右的電機(jī)消耗的釹鐵硼永磁為700～800g，強(qiáng)混HEV用50～120kW左右的電機(jī)消耗的釹鐵硼永磁為1～1.8kg，小型EV消耗的釹鐵硼永磁為1kg左右。對驅(qū)動電機(jī)用永磁的要求之一是：要有較高的耐熱性。對耐熱要求較高的原因是：電機(jī)旋轉(zhuǎn)時因電磁感應(yīng)會使永磁體表面產(chǎn)生渦流，永磁體因自身的電阻損耗會發(fā)熱；還有第2點，對HEV來說，電機(jī)與發(fā)動機(jī)往往直接相連，電機(jī)要承受發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量。某些車型上永磁體的溫度有時會近于200℃，一部分HEV車通過循環(huán)ATF（自動變速器油）來為電機(jī)轉(zhuǎn)子與永磁體降溫；在很多場合下，降溫措施與永磁體的耐熱性能相關(guān)。為了提高釹鐵硼永磁體的耐高溫性能，一般采取添加鏑 （Dy）的方法。Dy被稱為重稀土，在稀土中也是非常稀少的資源。為了減少對中國的依賴，他國一方面尋找其他地區(qū)的資源，另一方面，制定節(jié)省用Dy的政策，眾多的永磁體廠家、材料廠家及汽車廠家都在加速節(jié)省Dy的研究。2016年7月，日本大同特殊鋼與本田公司宣布，兩公司開發(fā)出了根本不使用重稀土鏑等的釹鐵硼類磁鐵 （釹磁鐵），并將在本田混合動力車 （HEV）的電機(jī)上采用，并稱這是全球首次將不使用鏑的釹磁鐵配備在HEV用電機(jī)上。2018年5月，奧迪公司宣布：在下一期的EV車上，將裝用感應(yīng)電動機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。

本文將對這幾家公司所采取的做法加以介紹。

2 完全不使用重稀土鏑等的驅(qū)動電機(jī)

本章先介紹不使用重稀土鏑等的釹鐵硼永磁的制造方法，然后介紹使用這種永磁體的驅(qū)動電機(jī)的開發(fā)。

生產(chǎn)這種永磁體的總廠位于日本。在中國的蘇州設(shè)立有大同電工 （蘇州）有限公司 （英文簡稱DES），成立于2003年10月，是一家日資公司，由日本大同電子株式會社獨家出資設(shè)立的，也是加工熱壓熱變形Nd-Fe-B永久磁鐵的據(jù)點。

四川的銀河磁體成立于1993年，專業(yè)從事粘結(jié)釹鐵硼磁體、熱壓釹鐵硼磁體、釤鈷磁體的生產(chǎn)與研發(fā)，公司搞這個釤鈷磁體和熱壓釹鐵硼磁體用了5年，才幾百萬利潤。銀河磁體認(rèn)為：從全球來看，熱壓磁體從實驗室研發(fā)開始到現(xiàn)在至少已有20多年，但目前仍只有日本大同能夠量產(chǎn)，我公司從2012年開始自主研發(fā)該產(chǎn)品的設(shè)備體系和工藝體系，目前實現(xiàn)了部分產(chǎn)品的小批量產(chǎn)。熱壓磁體工藝復(fù)雜，產(chǎn)品屬非標(biāo)定制，客戶認(rèn)證周期長，上批量時間長。

2.1 超急冷法制造 Nd-Fe-B永磁體原料

關(guān)于Nd-Fe-B永久磁鐵的制造方法有兩種：一種是燒結(jié)法，另一種是超急冷法。燒結(jié)法的大致概念是：將永磁鑄錠粉碎成細(xì)磁粉，在磁場中使其取向同時，加壓成形，再經(jīng)熱處理 （燒結(jié)），即可以得到高密度的永磁體。關(guān)于燒結(jié)法在《汽車電器》2016年第4期的驅(qū)動電機(jī)用釹鐵硼永磁材料的制造一文中已有較詳細(xì)的介紹，這里不再贅述。

超急冷法是將鑄錠熔化，利用氣壓將熔融合金從噴嘴中噴出，在高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥表面接觸凝固，從而獲得由20～30nm程度微結(jié)晶組成的箔片帶，微細(xì)的結(jié)晶粒子具有較高的矯頑力，由此法獲得的箔片帶為各相同性。

2.2 熱壓熱變形法制造Nd-Fe-B永磁體

各相異性RE-F-B系列永磁的制作方法有兩種 （RE=Nd，Pr，Dy），即燒結(jié)法與熱壓熱變形法。下面主要介紹后者。熱壓熱變形法永磁的工序示意圖及其剖面圖如圖1所示。將用超急冷法得到的箔片帶粉碎至150μm左右的粉末，作為原料粉使用。此時，在每一粒粉末中在隨機(jī)方向上存在著30nm左右的微細(xì)主相Nd2Fe14B的晶粒。在室溫下，對此原料粉經(jīng)冷壓、再經(jīng) 800℃左右的熱壓，就可以得到幾乎為真密度的各相同性永磁 （下稱MQ2）。到此項工序為止，主相還沒有進(jìn)行磁場定向，與超急冷后的箔片帶組織相比，結(jié)晶粒子有一定的成長。接著，為了找出永磁的異向性，則采取熱壓熱變形法進(jìn)行粒子的定向。將MQ2加熱至800℃左右，通過熱壓熱變形將應(yīng)力方向 （圖1中的圓周方向）都定向到c軸方向 （易磁化方向），這時結(jié)晶粒子呈圓盤形狀。

圖1 熱壓熱變形法永磁的工序示意圖及其剖面圖

本田與大同特殊鋼利用熱壓熱變形法共同開發(fā)的完全不使用重稀土鏑的釹鐵硼永磁體如圖2所示。

圖2 不使用重稀土鏑的釹鐵硼永磁體

2.3 關(guān)于無重稀土釹鐵硼磁鋼驅(qū)動電機(jī)

稀土-鐵-硼 （釹鐵硼永磁）是現(xiàn)存永磁中磁能積［（BH）max］最高的永磁，在新能源汽車的驅(qū)動電機(jī)上有廣泛的應(yīng)用，但其工作環(huán)境為高溫、強(qiáng)反向磁場，因此對永磁的耐高溫性能即矯頑力 （Hcj）有較嚴(yán)的要求，為此一般的做法是：與之相應(yīng)，在永磁中添加 （Dy）、 （Tb），通過提高磁晶的各向異性來提高 （Hcj）。

釹鐵硼永磁中如不添加重稀土類元素，在高溫、強(qiáng)反向磁場的環(huán)境下，矯頑力就會下降。為了減少重稀土的用量，就要設(shè)法減少加在永磁上的反向磁場以及提高永磁的磁導(dǎo)率，以便可以采用低矯頑力的永磁體。電機(jī)的轉(zhuǎn)子插入永磁體后對磁場會有一定的影響，因此，在準(zhǔn)備采用低矯頑力的永磁體之前，就要相應(yīng)地設(shè)計轉(zhuǎn)子的參數(shù)。

實現(xiàn)釹鐵硼永磁體結(jié)晶粒子的微細(xì)化才可以增加矯頑力。利用超急冷法制得的釹鐵硼永磁體原料粉再經(jīng)熱壓熱變形法加工可以得到納米級的結(jié)晶，由此得到的微細(xì)化粒子只有數(shù)百nm，還不到燒結(jié)法的十分之一。燒結(jié)法工序與熱壓熱變形法的工序?qū)Ρ热鐖D3所示。

圖3 燒結(jié)法工序與熱壓熱變形法的工序?qū)Ρ?/p>

采用熱壓熱變形法得到的無重稀土永磁體可以裝用在單電機(jī)混合動力系統(tǒng)上，尺寸、轉(zhuǎn)矩、輸出功率及效率都達(dá)到和老式驅(qū)動電機(jī)同等或以上水平，但維持電機(jī)的退磁特性成為設(shè)計上的難點。采用無重稀土永磁體的驅(qū)動電機(jī)與老式驅(qū)動電機(jī)的技術(shù)參數(shù)對比如表1所示。

構(gòu)成電機(jī)的主要部件是定子和轉(zhuǎn)子，定子鐵心中嵌有繞組，根據(jù)安培定律，通電時就會產(chǎn)生磁通，利用逆變器控制電流，形成旋轉(zhuǎn)磁場；轉(zhuǎn)子上配置有永磁，受到定子產(chǎn)生的電磁力的作用則進(jìn)行電力變換，就會輸出能量。內(nèi)置式永磁同步電動機(jī) （IPMSM）小型、輸出功率大，因此適用于混合動力車用電機(jī)。

表1 無重稀土永磁體的驅(qū)動電機(jī)與老式驅(qū)動電機(jī)的技術(shù)參數(shù)對比

圖4是單電機(jī)賽車型混合動力系統(tǒng)的布置圖，因電機(jī)占地受到限制，所以采用小型、高效的IPMSM。IPMSM既有永磁產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，也有與轉(zhuǎn)子角度相關(guān)、利用磁阻變化的吸引力之差產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。因各轉(zhuǎn)矩的相位不同，為引出最大轉(zhuǎn)矩則使用超前電流相位。因此，很大的反向磁場就會加到永磁體上，而容易產(chǎn)生退磁。

圖4 單電機(jī)賽車型混合動力系統(tǒng)的布置

以往，防止退磁的措施是采用矯頑力較大的永磁體。對于這一點，為了能夠采用低矯頑力永磁體，可用的方法有減少繞組的匝數(shù)以減弱反向磁場，或者降低電流值。但就單電機(jī)混合動力系統(tǒng)來說，為了保持原有電機(jī)的基本性能，所以還是決定從磁路上加以探討。

組裝至轉(zhuǎn)子的永磁體的工作點，按照永磁體的形狀及轉(zhuǎn)子的形狀可用B-H曲線上的某一點來表示。由此工作點的磁通密度Bd與磁場強(qiáng)度Hd可以求出磁導(dǎo)率Pc，如圖5所示。溫度的不同引起B(yǎng)-H曲線的變化以及通電電流形成的反向磁場引起工作點進(jìn)入不可逆退磁區(qū)就會引發(fā)退磁。為了克服退磁的問題提高磁導(dǎo)率是一項有效的方法。但另一方面，眾所周知作為防止退磁的措施有：將永磁體深埋至轉(zhuǎn)子內(nèi)部以及增加漏磁通使電磁轉(zhuǎn)矩下降的方法。但要做到退磁與轉(zhuǎn)矩兼容并不是一件容易的事情。

圖5 B-H曲線

為了提高磁導(dǎo)率，轉(zhuǎn)子的永磁體選用了V形深埋布置，如圖6所示，將永磁體深埋至直徑為189mm的轉(zhuǎn)子內(nèi)部；而且采取了以往未曾用過的形狀，即輔助隔磁橋 （圖6的A部）、隔磁橋 （圖6的B部）、隔磁橋近處的小孔 （圖6的C部）。這樣的布置是為了降低永磁體的矯頑力。由此可以減輕永磁體角部的反向磁場，從而可以提高退磁溫度。小孔的個數(shù)、大小及布置可以有許多的組合方式，這些要依靠協(xié)作廠家的通力合作。利用級進(jìn)模沖出的轉(zhuǎn)子單片如圖7所示。模具的狀態(tài)及沖小孔用沖頭如圖8所示。本田混合動力微型面包車弗里德用驅(qū)動電機(jī)如圖9所示。

圖6 轉(zhuǎn)子的永磁體選用了V形深埋布置

圖7 利用級進(jìn)模沖出的轉(zhuǎn)子單片

圖8 模具的狀態(tài)及沖小孔用沖頭

圖9 本田混合動力微型面包車弗里德用驅(qū)動電機(jī)

3 奧迪公司的下一代的EV車將用感應(yīng)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)

奧迪公司2018年5月9日宣布：2025年的下一代EV車上，將裝用感應(yīng)電動機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。蓄電池安裝在底盤下，前面裝用1臺感應(yīng)電機(jī)，后面裝用2臺感應(yīng)電機(jī)。奧迪宣布了2025年將實現(xiàn)EV與PHEV車型共計80萬臺的銷售目標(biāo)，這相當(dāng)于奧迪全球銷量的1／3，其中EV車型占較大的比例。對奧迪來說，下一代EV車型是實現(xiàn)其銷售目標(biāo)的戰(zhàn)略車型。2018年內(nèi)，EV系列的SUV車型計劃在比利時的Brussels工廠生產(chǎn)，年內(nèi)在歐洲上市。而感應(yīng)電機(jī)在匈牙利的Gyor工廠內(nèi)自制。車輛屬于四輪驅(qū)動車 （4WD），合計輸出功率達(dá)到320kW。 感應(yīng)電機(jī)的外側(cè)是定子，當(dāng)電壓加到嵌在定子鐵心的繞組上時，就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，使得由導(dǎo)體制造的內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。本節(jié)所介紹的電機(jī)屬于在轉(zhuǎn)子內(nèi)不使用永磁體的異步電機(jī)。奧迪驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與集成負(fù)責(zé)人Siegfried Pint先生表示，奧迪選用這種電機(jī)的目的在于采購原材料的風(fēng)險低。EV等汽車用永磁電機(jī)中，一般采用釹-鐵-硼系永磁：釹永磁以及在稀土元素中的鏑 （Dy）元素，其生產(chǎn)都集中在中國，采購存在不穩(wěn)定情況。而且中國曾對稀土實行出口限制。奧迪為了實現(xiàn)EV的大量銷售目標(biāo)，穩(wěn)定的零部件供應(yīng)渠道非常重要。如果采用不用釹永磁的感應(yīng)電機(jī)，采購電機(jī)的原材料可以規(guī)避中國政策的影響。加之，不用昂貴的釹永磁，成本也能降低。對于奧迪來說，中國是占其全球銷售比率超過30%的老客戶。在銷售策略上重視中國的方針非常明確，盡管如此，在開發(fā)層面，可以看到其不太希望過于依賴中國的傾向。

奧迪采用感應(yīng)電機(jī)的另外一個理由是，感應(yīng)電機(jī)停止時的損耗比永磁式電機(jī)小。因為大部分行駛中并不需要同時驅(qū)動3臺電機(jī)。例如低速正常行駛時，所需要的轉(zhuǎn)矩很小，后面的2臺電機(jī)可以停止工作。永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子中安裝的永磁始終產(chǎn)生磁力，在停止行車過程中，車輪旋轉(zhuǎn)、電機(jī)轉(zhuǎn)動時，磁力變成阻力；對于感應(yīng)電機(jī)來說，行車過程中的阻力要小得多。

3.1 采用純度為99.7%的鋁壓鑄件

另一方面，與永磁電機(jī)相比，感應(yīng)電機(jī)的難點是效率和扭矩都比較低。奧迪在抑制轉(zhuǎn)子的鐵損 （鐵芯中的渦流引起的損耗）以及定子繞組的繞線電阻引發(fā)的銅損等方面，下了相當(dāng)大的功夫，Pint先生認(rèn)為：效率的水平相當(dāng)高且實現(xiàn)了高輸出功率密度。此感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的示意圖如圖10所示。

圖10 感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的示意圖

轉(zhuǎn)子主要由鋁壓鑄材料與電工鋼板兩種材料構(gòu)成。作為高輸出功率的感應(yīng)電機(jī)，只屬于一般配置，但是奧迪獨創(chuàng)的地方在于將鋁壓鑄件材料的純度提高到99.7%。因為純度越高導(dǎo)電率越大，特別能提高在高速范圍內(nèi)的電機(jī)效率。e-tron quattro的最高速度可達(dá)210km／h。一般來說，在高速域內(nèi)電機(jī)的效率會大大降低。正因為如此，與燃油車相比，電動汽車的最高速度經(jīng)常會被抑制。例如日產(chǎn)的EV聆風(fēng)的最高時速就保留在140km／h。奧迪專注于提高高速行駛時的電機(jī)效率，實現(xiàn)了與燃油車相當(dāng)?shù)淖罡邥r速210km／h。

另外，轉(zhuǎn)子采用了0.35mm的電工鋼板疊片，鋼板越薄，渦流越小，鐵損也可以減少。定子中也采用了相同的電工鋼板。感應(yīng)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的示意圖如圖11所示。

奧迪為了配合下一代EV的開發(fā)，在德國舍弗勒制造的2款齒輪機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，再開發(fā)了2款奧迪自制的轉(zhuǎn)矩不同的感應(yīng)電機(jī)，組合搭配共計開發(fā)了4款類型的電機(jī)。今后推出的20多款不同的車型，分別使用上述4款電機(jī)。

3.2 支持150kW高速充電

圖11 感應(yīng)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的示意圖

齒輪機(jī)構(gòu)分為與輸出軸偏心的兩級變速機(jī)構(gòu)以及與電機(jī)同軸的減速器。電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)矩分成320Nm產(chǎn)品與250Nm兩檔產(chǎn)品。而在e-tron quattro中，前輪側(cè)配置的是帶兩級變速機(jī)構(gòu)的扭矩250Nm的APA250，而后側(cè)配置的是2臺帶減速器的轉(zhuǎn)矩同樣為250Nm的ATA250。下一代EV車型中，底盤下將搭載95kWh的大容量鋰離子電池，EV續(xù)航里程將達(dá)到500km。單元電池分別使用方形和軟包等多種形式，電池包的質(zhì)量約達(dá)到700kg。外形尺寸約為2280×1630×340mm，體積約為440L?？蓪?yīng)150kW的超高功率充電，電池滿充電時間不到30min。此外，變頻器的體積為5.5L，質(zhì)量為8kg。單位體積功率密度高達(dá)30kW／L。車上裝用了德國英飛凌公司生產(chǎn)的電機(jī)用AURIX系列微機(jī)。

4 結(jié)語

本文介紹了不使用重稀土鏑等的釹鐵硼類磁鐵 （釹磁鐵）制造工藝，以及其將在本田混合動力車 （HEV）的電機(jī)上運用的情況。說明了奧迪公司的下一代的EV車將用感應(yīng)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，給出了電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。這兩個公司的目的是規(guī)避采購原材料的風(fēng)險以及降低產(chǎn)品成本。