規避采購風險的兩種驅動電機

董 輝

1 驅動電機的市場預測與稀土原材料采購背景

根據矢野研究所2018年5月1日發表的車載電機的世界市場的調查結果，以車輛的生產輛數為基數，2016年的車載電機達到29億9900萬個。2020年為2016年的1.2倍，達到36億7800萬個；為2015年的1.5倍，達到44億7100萬個。

在市場持續擴大的背后，與日益苛刻的環境法規相應，歐洲及中國等世界范圍的動向是努力發展節省燃油的技術，以提高安全性與便利性為目的發展電動化。由此，動力傳動系統及底盤等裝用的電機也在增多。

其中驅動電機2016年的世界市場為428萬個，據預測，2020年將是2016年的2.3倍，達970萬個，2025年將是2016年的4.9倍，達2080萬個。從目前狀況來看，雙電機方式的混合動力車 （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，單電機式混合動力車將會進一步普及，但驅動電機的市場規模大概不會超過車輛數的增加。

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

另一方面，近年來中國出于保護資源和環境的目的，對稀土出口進行了宏觀調控。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，認為中國違反了世貿規則，向世界貿易組織 （WTO）提出訴訟。另一方面，也開始積極采取多元化戰略以應對稀土供應緊張的形勢，試圖擺脫"稀土進口對華依賴"。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，美國企業正悄悄投資于另類技術，并改進制造流程，以減少對稀土的需求。稀土是很多美國企業最為看好的清潔能源產品所必需的原材料。通用汽車每生產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。通用汽車也開發出了不使用稀土磁鐵的產品，比如2012年款別克君越 （BuickLa Crosse）將搭載的eAssist混合動力發動機。

目前日本為謀求實際利益，開始四處尋找稀土資源之外，日本電產等企業也在積極開發新技術，在電動汽車和混合動力汽車的發動機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：“需要是發明之母，需要是發現之母”，技術方面的關鍵在于日本正盡全力研發中的稀土代替技術能否取得突破。東芝正在開發利用代替材料研制的新型汽車發動機永磁體，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、產業用電機、風力發電機等多個領域都要用到。對汽車驅動電機來說更是不可缺少的材料。一輛微混HEV用10kW左右的電機消耗的釹鐵硼永磁為700～800g，強混HEV用50～120kW左右的電機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。對驅動電機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：電機旋轉時因電磁感應會使永磁體表面產生渦流，永磁體因自身的電阻損耗會發熱；還有第2點，對HEV來說，電機與發動機往往直接相連，電機要承受發動機產生的熱量。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ATF（自動變速器油）來為電機轉子與永磁體降溫；在很多場合下，降溫措施與永磁體的耐熱性能相關。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的資源，另一方面，制定節省用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用電機上。2018年5月，奧迪公司宣布：在下一期的EV車上，將裝用感應電動機作為驅動電機。

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動電機

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動電機的開發。

生產這種永磁體的總廠位于日本。在中國的蘇州設立有大同電工 （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立的，也是加工熱壓熱變形Nd-Fe-B永久磁鐵的據點。

四川的銀河磁體成立于1993年，專業從事粘結釹鐵硼磁體、熱壓釹鐵硼磁體、釤鈷磁體的生產與研發，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。銀河磁體認為：從全球來看，熱壓磁體從實驗室研發開始到現在至少已有20多年，但目前仍只有日本大同能夠量產，我公司從2012年開始自主研發該產品的設備體系和工藝體系，目前實現了部分產品的小批量產。熱壓磁體工藝復雜，產品屬非標定制，客戶認證周期長，上批量時間長。

2.1 超急冷法制造 Nd-Fe-B永磁體原料

關于Nd-Fe-B永久磁鐵的制造方法有兩種：一種是燒結法，另一種是超急冷法。燒結法的大致概念是：將永磁鑄錠粉碎成細磁粉，在磁場中使其取向同時，加壓成形，再經熱處理 （燒結），即可以得到高密度的永磁體。關于燒結法在《汽車電器》2016年第4期的驅動電機用釹鐵硼永磁材料的制造一文中已有較詳細的介紹，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，在高速旋轉的冷卻輥表面接觸凝固，從而獲得由20～30nm程度微結晶組成的箔片帶，微細的結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方向上存在著30nm左右的微細主相Nd2Fe14B的晶粒。在室溫下，對此原料粉經冷壓、再經 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，主相還沒有進行磁場定向，與超急冷后的箔片帶組織相比，結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行粒子的定向。將MQ2加熱至800℃左右，通過熱壓熱變形將應力方向 （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 關于無重稀土釹鐵硼磁鋼驅動電機

稀土-鐵-硼 （釹鐵硼永磁）是現存永磁中磁能積［（BH）max］最高的永磁，在新能源汽車的驅動電機上有廣泛的應用，但其工作環境為高溫、強反向磁場，因此對永磁的耐高溫性能即矯頑力 （Hcj）有較嚴的要求，為此一般的做法是：與之相應，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、強反向磁場的環境下，矯頑力就會下降。為了減少重稀土的用量，就要設法減少加在永磁上的反向磁場以及提高永磁的磁導率，以便可以采用低矯頑力的永磁體。電機的轉子插入永磁體后對磁場會有一定的影響，因此，在準備采用低矯頑力的永磁體之前，就要相應地設計轉子的參數。

實現釹鐵硼永磁體結晶粒子的微細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熱壓熱變形法加工可以得到納米級的結晶，由此得到的微細化粒子只有數百nm，還不到燒結法的十分之一。燒結法工序與熱壓熱變形法的工序對比如圖3所示。

圖3 燒結法工序與熱壓熱變形法的工序對比

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混合動力系統上，尺寸、轉矩、輸出功率及效率都達到和老式驅動電機同等或以上水平，但維持電機的退磁特性成為設計上的難點。采用無重稀土永磁體的驅動電機與老式驅動電機的技術參數對比如表1所示。

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

表1 無重稀土永磁體的驅動電機與老式驅動電機的技術參數對比

圖4是單電機賽車型混合動力系統的布置圖，因電機占地受到限制，所以采用小型、高效的IPMSM。IPMSM既有永磁產生的電磁轉矩，也有與轉子角度相關、利用磁阻變化的吸引力之差產生的磁阻轉矩。因各轉矩的相位不同，為引出最大轉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，而容易產生退磁。

圖4 單電機賽車型混合動力系統的布置

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以減弱反向磁場，或者降低電流值。但就單電機混合動力系統來說，為了保持原有電機的基本性能，所以還是決定從磁路上加以探討。

組裝至轉子的永磁體的工作點，按照永磁體的形狀及轉子的形狀可用B-H曲線上的某一點來表示。由此工作點的磁通密度Bd與磁場強度Hd可以求出磁導率Pc，如圖5所示。溫度的不同引起B-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入不可逆退磁區就會引發退磁。為了克服退磁的問題提高磁導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：將永磁體深埋至轉子內部以及增加漏磁通使電磁轉矩下降的方法。但要做到退磁與轉矩兼容并不是一件容易的事情。

圖5 B-H曲線

為了提高磁導率，轉子的永磁體選用了V形深埋布置，如圖6所示，將永磁體深埋至直徑為189mm的轉子內部；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、大小及布置可以有許多的組合方式，這些要依靠協作廠家的通力合作。利用級進模沖出的轉子單片如圖7所示。模具的狀態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動電機如圖9所示。

圖6 轉子的永磁體選用了V形深埋布置

圖7 利用級進模沖出的轉子單片

圖8 模具的狀態及沖小孔用沖頭

圖9 本田混合動力微型面包車弗里德用驅動電機

3 奧迪公司的下一代的EV車將用感應電機作為驅動電機

奧迪公司2018年5月9日宣布：2025年的下一代EV車上，將裝用感應電動機作為驅動電機。蓄電池安裝在底盤下，前面裝用1臺感應電機，后面裝用2臺感應電機。奧迪宣布了2025年將實現EV與PHEV車型共計80萬臺的銷售目標，這相當于奧迪全球銷量的1／3，其中EV車型占較大的比例。對奧迪來說，下一代EV車型是實現其銷售目標的戰略車型。2018年內，EV系列的SUV車型計劃在比利時的Brussels工廠生產，年內在歐洲上市。而感應電機在匈牙利的Gyor工廠內自制。車輛屬于四輪驅動車 （4WD），合計輸出功率達到320kW。 感應電機的外側是定子，當電壓加到嵌在定子鐵心的繞組上時，就會產生感應電流，使得由導體制造的內側轉子旋轉。本節所介紹的電機屬于在轉子內不使用永磁體的異步電機。奧迪驅動系統結構與集成負責人Siegfried Pint先生表示，奧迪選用這種電機的目的在于采購原材料的風險低。EV等汽車用永磁電機中，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，其生產都集中在中國，采購存在不穩定情況。而且中國曾對稀土實行出口限制。奧迪為了實現EV的大量銷售目標，穩定的零部件供應渠道非常重要。如果采用不用釹永磁的感應電機，采購電機的原材料可以規避中國政策的影響。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。

奧迪采用感應電機的另外一個理由是，感應電機停止時的損耗比永磁式電機小。因為大部分行駛中并不需要同時驅動3臺電機。例如低速正常行駛時，所需要的轉矩很小，后面的2臺電機可以停止工作。永磁電機轉子中安裝的永磁始終產生磁力，在停止行車過程中，車輪旋轉、電機轉動時，磁力變成阻力；對于感應電機來說，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，與永磁電機相比，感應電機的難點是效率和扭矩都比較低。奧迪在抑制轉子的鐵損 （鐵芯中的渦流引起的損耗）以及定子繞組的繞線電阻引發的銅損等方面，下了相當大的功夫，Pint先生認為：效率的水平相當高且實現了高輸出功率密度。此感應電機轉子結構的示意圖如圖10所示。

圖10 感應電機轉子結構的示意圖

轉子主要由鋁壓鑄材料與電工鋼板兩種材料構成。作為高輸出功率的感應電機，只屬于一般配置，但是奧迪獨創的地方在于將鋁壓鑄件材料的純度提高到99.7%。因為純度越高導電率越大，特別能提高在高速范圍內的電機效率。e-tron quattro的最高速度可達210km／h。一般來說，在高速域內電機的效率會大大降低。正因為如此，與燃油車相比，電動汽車的最高速度經常會被抑制。例如日產的EV聆風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效率，實現了與燃油車相當的最高時速210km／h。

另外，轉子采用了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。感應電機定子結構的示意圖如圖11所示。

奧迪為了配合下一代EV的開發，在德國舍弗勒制造的2款齒輪機構基礎上，再開發了2款奧迪自制的轉矩不同的感應電機，組合搭配共計開發了4款類型的電機。今后推出的20多款不同的車型，分別使用上述4款電機。

3.2 支持150kW高速充電

圖11 感應電機定子結構的示意圖

齒輪機構分為與輸出軸偏心的兩級變速機構以及與電機同軸的減速器。電機根據轉矩分成320Nm產品與250Nm兩檔產品。而在e-tron quattro中，前輪側配置的是帶兩級變速機構的扭矩250Nm的APA250，而后側配置的是2臺帶減速器的轉矩同樣為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續航里程將達到500km。單元電池分別使用方形和軟包等多種形式，電池包的質量約達到700kg。外形尺寸約為2280×1630×340mm，體積約為440L。可對應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，質量為8kg。單位體積功率密度高達30kW／L。車上裝用了德國英飛凌公司生產的電機用AURIX系列微機。

4 結語

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）的電機上運用的情況。說明了奧迪公司的下一代的EV車將用感應電機作為驅動電機，給出了電機的定子與轉子的結構。這兩個公司的目的是規避采購原材料的風險以及降低產品成本。