永磁電機(jī)造就新能源汽車“強(qiáng)大內(nèi)心”

把“命門”掌握在自己手中

金 鳳

前不久，隨著吉利汽車、中通客車等國內(nèi)知名車企的電動車下線，精進(jìn)百思特電動(上海)有限公司(以下簡稱精進(jìn)電動)牽頭研發(fā)的新能源汽車高性能永磁電機(jī)已經(jīng)裝機(jī)超7萬臺。

從功率密度4.2—5.3kW/kg的第一代圓股線繞組電機(jī)，到功率密度6.3kW/kg的第二代扁銅線繞組電機(jī)，永磁電機(jī)的產(chǎn)品和樣件指標(biāo)，均比肩或超過歐美日韓等一線汽車電機(jī)制造商的產(chǎn)品水平。

兩年來，該公司等17家單位在國家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計劃新能源汽車驅(qū)動電機(jī)專項中，帶動上游產(chǎn)業(yè)鏈突破技術(shù)瓶頸、填補(bǔ)了多項國家技術(shù)和產(chǎn)品空白。其中，高端稀土永磁體的重稀土使用量，降低近50%；絕緣材料長期耐溫超200℃，圓電磁線耐電暈壽命達(dá)國標(biāo)數(shù)倍以上；漆包扁線耐電暈壽命大于90小時……

部分曾經(jīng)依賴進(jìn)口的原材料、核心部件與器件等已經(jīng)實現(xiàn)自主研發(fā)和生產(chǎn)，有的材料不僅使用壽命比國外翻番，成本也僅為國外的六成。

截至2019年6月30日，該項目的第一代圓股線繞組電機(jī)累計在乘用車裝車6.8萬臺，商用車裝車近4000臺。

驅(qū)動電機(jī)比肩世界一流汽車電機(jī)制造商

新能源汽車的發(fā)展離不開電驅(qū)動的核心零部件——電機(jī)系統(tǒng)。高速高效高可靠性的電機(jī)，能讓新能源電動車的能耗更低、壽命更長。

電機(jī)的電流是靠繞組傳導(dǎo)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(jī)繞組的基本要求。

21世紀(jì)初，知名電機(jī)專家蔡蔚，就曾發(fā)明“發(fā)卡式繞組”電機(jī)，后被應(yīng)用于通用汽車雪弗蘭Tahoe混合動力車，這是全球第一個“發(fā)卡式繞組”電機(jī)在汽車電驅(qū)動領(lǐng)域的應(yīng)用。

自2017年啟動國家重點(diǎn)研發(fā)計劃以來，蔡蔚作為專項負(fù)責(zé)人帶領(lǐng)精進(jìn)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(jī)的技術(shù)創(chuàng)新、批量生產(chǎn)與裝車應(yīng)用。

同時，第二代扁電磁線繞組電機(jī)也已經(jīng)完成樣件制造和性能測試，進(jìn)入試驗認(rèn)證環(huán)節(jié)。通過巧妙設(shè)計，他們解決了多并聯(lián)支路波形繞組排布拓?fù)鋯栴}，調(diào)節(jié)冷卻和焊接參數(shù)，攻克多套薄扁線電機(jī)繞組制造難題，提高了電機(jī)極對數(shù)和轉(zhuǎn)速，把電機(jī)做得更小，銅線、硅鋼片等材料用得更少，單位功率耗材更少，性價比更高。

“功率密度從4.3kW/kg提高到6.3kW/kg，超過了美國通用Bolt電機(jī)4.6kW/kg的功率密度和寶馬i3電機(jī)的3.8kW/kg的功率密度，也超過了美國規(guī)劃的其2025年新能源汽車電機(jī)5.7kW/kg的指標(biāo)。”蔡蔚說。

在此基礎(chǔ)上，第三代換位導(dǎo)體繞組電機(jī)也已經(jīng)啟動研發(fā)。

高端永磁體重稀土用量降五成

在全球新能源汽車電驅(qū)動中，永磁電機(jī)占比近90%。在永磁體中加入鏑、鋱等重稀土，可以保持剩磁并提高矯頑力。“但是，重稀土在稀土礦中的儲量較少，而隨著新能源電動車的普及，國內(nèi)外大規(guī)模生產(chǎn)稀土永磁電機(jī)，重稀土的使用將會面臨資源短缺瓶頸。”蔡蔚說，一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將低重稀土永磁體用于電機(jī)產(chǎn)品中。

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

但我國的稀土永磁體制備和永磁電機(jī)曾長期受制于日本。“以前日本買中國的稀土永磁原材料，做成永磁體甚至電機(jī)后，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，以避免資源短缺又降低成本？在該國家專項中，蔡蔚牽頭，聯(lián)合煙臺首鋼磁性材料股份有限公司，研發(fā)滲滴技術(shù)和晶格細(xì)化技術(shù)，將重稀土使用量最高減少五成。

“以往，往往會把鏑或鋱等重稀土，像揉面一樣，與其他永磁體原材料揉在一起。現(xiàn)在通過細(xì)化晶格，將重稀土滲入磁體，哪里需要滲到那里，用量少而精準(zhǔn)。”

蔡蔚介紹，研發(fā)人員們用晶粒度細(xì)化和微觀結(jié)構(gòu)一致性工藝，填補(bǔ)了國內(nèi)細(xì)粉工藝的空白，量產(chǎn)35EH磁體的鏑含量，由7wt%—8wt%降低到5wt%，減少重稀土使用量20%以上。同時，他們將細(xì)粉工藝與擴(kuò)散工藝相結(jié)合，42EH磁體的鋱含量，由8wt%降低到等效鏑4.5%，減少重稀土使用量40%—50%。

部分絕緣材料耐電暈壽命達(dá)國標(biāo)10倍以上

作為新能源汽車的心臟，驅(qū)動電機(jī)中有很多電磁線。電磁線和絕緣材料如果耐受不了電機(jī)運(yùn)行中的高電壓、高溫、高電壓變化率，就容易被擊穿，降低電機(jī)使用壽命。

而我國生產(chǎn)的耐電暈絕緣材料，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材料和耐電暈柔軟復(fù)合紙等，隨時會遭遇卡脖子。”蔡蔚說，賣方市場的強(qiáng)勢，讓國內(nèi)用戶無可奈何。

在該項目中，蔡蔚聯(lián)合蘇州巨峰絕緣材料有限公司(以下簡稱巨峰)，用納米粒子與漆包線漆基體樹脂的復(fù)合技術(shù)，突破納米粒子在漆包線漆基體樹脂中難分散的技術(shù)瓶頸，制備了均勻分散的納米分散液，成功制備耐電暈漆包線漆。

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

今年9月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》，強(qiáng)化前沿關(guān)鍵科技研發(fā)，瞄準(zhǔn)新一代信息技術(shù)、人工智能、智能制造、新材料、新能源等世界科技前沿，被寫入《綱要》。

在蔡蔚看來，汽車產(chǎn)業(yè)是公路交通的重中之重，“汽車核心零部件強(qiáng)，我國汽車產(chǎn)業(yè)則強(qiáng)”。