詳解磁性材料在汽車電子器件中的應(yīng)用

汽車電子的發(fā)展對(duì)磁性材料的要求

通常地，對(duì)汽車用磁性材料的要求是各類電機(jī)對(duì)永磁材料的要求。

用作永磁電機(jī)的磁體，一般要求有高的磁性能，從而產(chǎn)生較大的氣隙磁場(chǎng);磁性能穩(wěn)定性好，溫度系數(shù)小;有較高的 工作溫度，以防止高溫下退磁;有較好的機(jī)械性能和較低廉的價(jià)格。根據(jù)永磁電機(jī)的種類和結(jié)構(gòu)不同，選擇永磁體時(shí)考慮的出發(fā)點(diǎn)也不同。

汽車用永磁電機(jī)，一般從 價(jià)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(yīng)地做得較小，隨著稀土永磁價(jià)格不斷下降，越來(lái)越多的 汽車電機(jī)采用NdFeB稀土永磁材料。

永磁體裝在電機(jī)上時(shí)，要與電機(jī)轉(zhuǎn)子或定子產(chǎn)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(cè)永磁體的表面上產(chǎn)生磁極，這種磁極在磁體內(nèi)部產(chǎn)生一退磁場(chǎng)，其方向與原來(lái)磁化時(shí)的外磁場(chǎng)方向相反，而且氣隙越大，退磁場(chǎng)越強(qiáng)。這就是說(shuō)永磁體是處 于退磁場(chǎng)作用下進(jìn)行工作，而且就工作在退磁曲線的某一點(diǎn)上，所以希望永磁體在退磁場(chǎng)作用下仍能保持高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即要求HCB要大，HCB越大表示抵抗 退磁場(chǎng)作用能力越大。

衡量永磁材料在電機(jī)中應(yīng)用的關(guān)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(wěn)定性，尺寸、 體積與重量、制造成本等。

汽車永磁電機(jī)對(duì)永磁材料的一般要求：

1、高的HCB，才能保證電機(jī)輸出所需的磁動(dòng)勢(shì)，使電機(jī)工作點(diǎn)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(jī)有較高的轉(zhuǎn)速、大的輸出扭矩和大功率;

3、高的HCJ，可保證電機(jī)較強(qiáng)的過(guò)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(jī)中實(shí)際運(yùn)行的工作系數(shù)越好;

5、磁通量Ф越大越好，這將極大地提高電機(jī)的工作效率;

隨著汽車電機(jī)向輕量、小型、高效率化發(fā)展，要求磁體厚度越來(lái)越薄，為保證磁性能的穩(wěn)定性和電機(jī)輸出功率、電壓的穩(wěn)定性，對(duì)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(fā)動(dòng)機(jī)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(jù)電機(jī)在汽車上不同的位置、結(jié)構(gòu)和作用，對(duì)永磁材料的要求也各不相同。比如汽車各部分溫度不同，對(duì)所用材料的耐熱要求也不同，耐熱標(biāo)準(zhǔn)一般是指不可逆 退磁小于3%。這樣就要求材料有高的內(nèi)稟矯頑力。這是由于磁性元器件關(guān)系到汽車正常運(yùn)轉(zhuǎn)和各功能的實(shí)施。因此耐熱性是防止交通事故，確保人員和財(cái)產(chǎn)安全的 重要指標(biāo)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(jià)格低廉、居里溫度高、溫度系數(shù)小及耐腐蝕性好，適于工作環(huán) 境較惡劣的汽車電機(jī)應(yīng)用。故目前或?qū)?lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，電機(jī)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(lái)不斷提高，能更好地滿足汽車電機(jī)發(fā) 展的需要。今后的趨勢(shì)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(jī)將不斷增多，其所用磁性材料隨著釹鐵硼材料價(jià)格的下降而被越 來(lái)越多地使用，對(duì)NdFeB的要求是其抗蝕性和耐熱性要好。

現(xiàn)對(duì)幾種主要電機(jī)對(duì)鐵氧體的要求作一簡(jiǎn)單分析。

啟動(dòng)電機(jī)

由于啟動(dòng)電 機(jī)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，必須面對(duì)嚴(yán)峻的工作環(huán)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(xiàn)在啟動(dòng)電機(jī)95%左右批量采用瓦形永磁鐵氧體。 根據(jù)啟動(dòng)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式(M=cmφIa)要使電磁轉(zhuǎn)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?，F(xiàn)在啟動(dòng)電機(jī)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(duì)啟動(dòng)電機(jī)特性要求的提高以及對(duì)啟動(dòng)電機(jī)體積和質(zhì)量的減小，已有一些電機(jī)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(jī)

雨刮器電機(jī)對(duì)磁性能HCJ取值要求雖無(wú)啟動(dòng)電機(jī)高，但也要求做低溫沖擊退磁試驗(yàn)，多數(shù)用戶要求磁通變化小于5%，也有些用戶要求小于3%，將來(lái)雨刮器電機(jī)的體積與質(zhì)量比現(xiàn)在要縮小20%左右，因此Br值達(dá)450mT的磁體即將用在雨刮器電機(jī)上。

燃油泵電機(jī)

由于燃油泵是連續(xù)較平穩(wěn)地運(yùn)行的，又整體浸在汽(柴)油中，工作溫度穩(wěn)定，故對(duì)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(duì)Br 和(BH)max值要求高些?，F(xiàn)在大批量用一般Br要求達(dá)到420mT，(BH)max要求達(dá)到33kJ/m3。又由于燃油泵電機(jī)整體安裝在油箱中，故對(duì) 磁瓦外觀與清潔度有嚴(yán)格要求，不允許有紅粉、掉角、碎片出現(xiàn)。已有公司采用Br達(dá)460mT的磁瓦，用于燃油泵電機(jī)，進(jìn)一步減小體積。

隨著汽 車電子技術(shù)進(jìn)步，汽車中的電子控制系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、影像系統(tǒng)等所用的軟磁材料也越來(lái)越多。這些設(shè)備對(duì)軟磁材料及元器件總的要求是高磁導(dǎo)率、高飽和磁通密 度、高頻下低損耗、高輸出功率、高溫工作穩(wěn)定性等，在汽車導(dǎo)航、雷達(dá)識(shí)別及全球定位系統(tǒng)中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)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(wàn)之多，而其中磁性部件也有多達(dá)數(shù)千個(gè)，本文不對(duì)它們的要求作具體分析。另外，隨著汽車電子的快速發(fā)展，將來(lái)汽車中新的電子器件配置，對(duì)磁性材料及器件的新應(yīng)用又有新的要求。

永磁材料在汽車電子器件中的應(yīng)用

當(dāng)今每輛汽車中已有40～70處用到永磁材料，大多數(shù)用于電機(jī)、執(zhí)行器和傳感器。以汽車電機(jī)為例，目前每輛汽車平均使用的永磁電機(jī)就超過(guò)30只。采用永 磁材料的永磁電機(jī)可幫汽車實(shí)現(xiàn)電子功率控制、剎車控制、駕駛操作等功能。未來(lái)的控制功能一般都需要使用永磁材料及永磁電機(jī)，汽車上的主驅(qū)動(dòng)將更多地利用計(jì) 算機(jī)控制，這些特點(diǎn)要求增加很多小的電動(dòng)機(jī)，以利用各種不同的控制功能，如燃料或節(jié)流控制等。高性能永磁沒(méi)有激磁損耗，不發(fā)熱。在電機(jī)設(shè)計(jì)中增加了更多的 靈活性，改變常規(guī)設(shè)計(jì)，包括圓盤式電機(jī)和外轉(zhuǎn)子型電機(jī)的設(shè)計(jì)，由于其慣性小、電抗低，可達(dá)到更好的動(dòng)態(tài)特性和高速度能力，完全滿足現(xiàn)代汽車對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高功率 與電子系統(tǒng)高可靠的要求。

永磁材料的不斷發(fā)展又給汽車電機(jī)工業(yè)帶來(lái)了福音。隨著汽車永磁電機(jī)向小型化、輕量化、高效率化的不斷發(fā)展，以 NdFeB，特別是粘結(jié)NdFeB永磁材料為代表的高性能稀土永磁材料由于價(jià)格不斷下降逐漸取代部份傳統(tǒng)的鐵氧體永磁電機(jī)，如用于啟動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)、自動(dòng) 剎車，以及油泵電機(jī)、空調(diào)電機(jī)等，今后將廣泛用于操縱系統(tǒng)。通用汽車公司自80年代末即開始采用NdFeB粘結(jié)磁體于一些車型的啟動(dòng)電機(jī)，在等同的輸出力 矩下，用NdFeB的啟動(dòng)電機(jī)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(jī)、執(zhí)行器和傳感器。以電機(jī)為例，中低檔轎車要用 到30多臺(tái)，豪華轎車使用70多臺(tái)，有的甚至多達(dá)100多臺(tái)?，F(xiàn)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(yīng)用。

永磁鐵氧體的典型應(yīng)用

啟動(dòng)電機(jī)、刮水器電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇電機(jī)、調(diào)壓式刮水器臂用電機(jī)、座椅 自動(dòng)調(diào)節(jié)用電機(jī)、空調(diào)器電機(jī)、轉(zhuǎn)向聯(lián)動(dòng)用霧燈電機(jī)、前照燈矯正裝置用電機(jī)、電動(dòng)速度表用電機(jī)、電動(dòng)轉(zhuǎn)向無(wú)刷電機(jī)、電動(dòng)水泵、電動(dòng)油泵、電子空調(diào)器、揚(yáng)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(yīng)用情況見(jiàn)表2(詳見(jiàn)《磁性材料與應(yīng)用產(chǎn)業(yè)資訊》2005年11期)。

NdFeB永磁體的主要應(yīng)用

混合電動(dòng)汽車用NdFeB永磁無(wú)刷直流電機(jī)

近年來(lái)，由于世界范圍內(nèi)資源、環(huán)境問(wèn)題日益突出，石油價(jià)格猛漲，各國(guó)都在加緊實(shí)施電動(dòng)汽車的研發(fā)計(jì)劃，混合動(dòng)力車(HEV)和燃料電池車(FCEV)成 為新的熱點(diǎn)?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車同時(shí)擁有電機(jī)驅(qū)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，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(wú)刷直流電機(jī)是其核心部件， 這是實(shí)現(xiàn)各種工作模式的關(guān)鍵，直接影響電動(dòng)汽車的性能。該無(wú)刷電機(jī)基本構(gòu)成與普通無(wú)刷電機(jī)一樣，主要由永磁電機(jī)本體、功率電子換向器和轉(zhuǎn)子位置傳感器等組 成，主要特點(diǎn)是軸向厚度尺寸小、重量輕、輸出功率大、效率高，集電動(dòng)、發(fā)電及制動(dòng)功能于一體，并能頻繁地進(jìn)行電動(dòng)和發(fā)電可逆工作。

發(fā)電裝置

隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)農(nóng)用運(yùn)輸車的產(chǎn)量不斷增加，年產(chǎn)300萬(wàn)輛以上。目前小型農(nóng)用車所采用的發(fā)電機(jī)主要是永磁交流發(fā)電機(jī)，存在低速時(shí)照明效果差的 問(wèn)題，從而容易造成這種車夜間行駛或路況差轉(zhuǎn)向時(shí)易發(fā)生交通事故，并且不能直接給車輛駕駛棚的刮雨器、暖風(fēng)機(jī)等提供直流電源。因此稀土永磁發(fā)電裝置應(yīng)運(yùn)而 生，其電壓輸出穩(wěn)定，成本低，性能可靠。該裝置包括電子穩(wěn)壓器、發(fā)電機(jī)殼蓋、定子(由鐵心、線圈構(gòu)成)以及轉(zhuǎn)子(由軸、鐵心和NdFeB永磁體構(gòu)成)。這 種將發(fā)電機(jī)與電子穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)為一體并采用高性能稀土永磁體作磁極的發(fā)電裝置能實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)向指示、電喇叭、刮雨器、暖風(fēng)機(jī)等設(shè)施所需的直流電源。

隨著NdFeB抗蝕技術(shù)發(fā)展，性價(jià)比下降，NdFeB在汽車中的應(yīng)用也越來(lái)越多。

AlNiCo和SmCo

由于它們均含戰(zhàn)略物資Co，因而在汽車中應(yīng)用有所限制。但由于AlNiCo的磁性優(yōu)于鐵氧體，而抗蝕性又優(yōu)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(jī)中的應(yīng)用情況。

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

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

軟磁材料在汽車電子器件中的應(yīng)用

隨著汽車技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，高頻、微型、超薄型、抗EMI/RFI、低功耗、組件化、智能化等性能優(yōu)良的車用磁性元器件應(yīng)運(yùn)而生，以滿足節(jié)能、環(huán)保 和電子信息設(shè)備數(shù)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(jiǎn)單介紹一下軟磁材料在汽車 中的應(yīng)用情況。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

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

傳感器

一輛普通轎車有數(shù)十上百只傳感器，豪華車上的傳感器數(shù)字可多達(dá)200多只。其種類一般有30多種，多則達(dá)百余種。軟磁材料在其中的應(yīng)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(guān)、熱簧繼電器、電磁感應(yīng)線圈。

車載毫米波系統(tǒng)

此處所用電源大多為開關(guān)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(dǎo)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(huán)行器、隔離器、濾波器、開關(guān)、調(diào)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(zhǎng) 通信距離;作信道濾波器，選擇與分離信道信號(hào)，防止失真;作線性寬帶變換器和脈沖變壓器，分離電位，調(diào)節(jié)電壓并轉(zhuǎn)換效率;作扼流圈，濾除不需要的高頻電 流;等等。

照明系統(tǒng)

照明高壓變壓器、鎮(zhèn)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(tǒng)

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。