电动汽车驱动电机的核心-磁铁的简介及制造工艺介绍

文章导读

一、概述

二、磁铁的性能指标

三、磁铁的种类

四、磁铁的制造工艺介绍

一、概述

近年来，电动汽车高速发展，大有取代传统燃油汽车的趋势。

电机驱动汽车的市场预测

作为电动汽车的心脏--驱动电机，也逐渐替代传统燃油发动机，成为汽车供应链中的主角。

目前，市面上电动汽车常用的汽车驱动电机有感应电机和永磁同步电机。

感应电机不需要使用磁铁，具有动力强、结构稳健性好的特点，但其体积大、输出线性相对永磁电机较差，成本也较高。

感应电机工作原理

永磁同步直流电机具有体积小、重量轻，和较高的功率密度与转矩密度。相比于其他种类的电机，在相同质量与体积下，能够提供最大的动力输出与加速度。

永磁同步直流电机由于其优点，作为驱动电机的应用越来越广泛。如蔚来前驱电机，比亚迪电动汽车，五菱mini及大多数国产新能源汽车都是用的永磁直流电机。

永磁同步电机由两个关键部件组成：一个多极化永磁转子和带有适当设计绕组的定子。

永磁电机结构示例（示意图）

为了适应电动汽车复杂的使用环境，提高电机的运行效率及电机本身的微型化和重量减轻势在必行，永磁转子的核心组件-磁铁，其对电机的性能提升起着重要作用。

二、 磁铁的性能指标

能产生磁场的物体称为磁体。根据磁场形态，用封闭的曲线来表示磁场，该曲线成为磁感线。常见的磁体及磁感线分布。

• 磁感应强度B

磁感应强度又叫磁通密度，表示磁场内某点磁场强弱的物理量，其大小是通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数量。

在国际单位制中单位是特斯拉，简称特，符号T；在电磁单位制（CGS）中为高斯（Gauss），简称高，符号为Gs,1T=104Gs.

• 磁通Φ

在磁场中，穿过任意一面积S的磁力线总量称为该截面的磁通量，简称磁通。均匀磁场中，Φ=BS。

在国际单位制中单位为韦伯（weber），简称韦，符号为Wb；在电磁电位制中单位为麦克斯韦，简称麦，符号为Mx，1Mx=1Wb

均匀磁场中，磁感应强度可以表示为单位面积上的磁通：B= Φ/S

• 磁导率μ

磁导率是表示物质导磁性能的参数，单位是亨每米（H/m）。

真空中的磁导率用μ 表示，μ=4π×10-7H/m。空气、铜、铝和绝缘材料等非铁磁材料的磁导率和真空磁导率大致相同，而铁、镍、钴等铁磁材料及其合金的磁导率比真空磁导率μ 大很多，为10～105倍。

把物质磁导率与真空磁导率的比值定义为相对磁导率，用符号μ 表示，则铁磁材料的磁导率可以表示为

μ=μrμ0

非铁磁材料的相对磁导率μ，接近于1，而铁磁材料的μ 远远大于1，电机和变压器中所使用的铁磁材料相对导磁率一般在2000～80000。

• 磁场强度H

在各向同性的媒质中， 磁场中某点的磁感应强度与该点磁导率的比值定义为该点的磁场强度，用符号表示。

H=B/μ

• 磁滞曲线

当磁场强度H从零增加到最大值H 时，铁磁材料饱和，磁通密度也为最大值B 。

之后减小H，B不是沿着起始磁化曲线下降，而是沿曲线ab下降；而这种磁通密度B的变化落后于磁场强度H的变化的现象，叫磁滞现象。

要想使剩磁为零，必须对材料进行反向磁化，即加上相应的反向磁场。

• Br剩磁

当H减小到零时，即去掉外磁场后，铁磁材料内还保留磁通强度Br ，把这时的磁通密度叫做剩余磁通密度，简称剩磁。

• Hc矫顽力

当反向磁场H为-Hc 时，磁通密度B将为零，此时的磁场强度Hc称为矫顽力。剩磁Br 和矫顽力Hc是铁磁材料的两个重要参数。

• 退磁曲线

磁性合金的磁滞回线第二或第四象限那部分的曲线。一般是指用一个单调变化的磁场从饱和状态退磁的情形。

• BH积(磁能积)

退磁曲线的任意点上磁通密度B与对应的磁场强度H的乘积。它是表征永磁合金单位体积对外产生的磁场中总储存能量的一个参数，单位为kJ/m3。

• BHmax最大磁能积

在退磁曲线上得到的BH积的最大值。

• Hcj内禀矫顽力

反应永磁体抗去磁能力。

• 回复曲线

退磁曲线上对应于永磁体某磁化状态的工作点，当通过磁路的磁阻减小或外退磁场的降低，使其内磁场减小而达到的磁化状态。回复状态并不沿原退磁曲线的轨迹变化。当内磁场增加，使永磁体回到原先磁化状态的工作点，其磁化状态往复改变的轨迹退为一局部磁滞回线，称为回复线(曲线)。

曲线型退磁曲线 直线型退磁曲线

• 回复磁导率μrec

对于高矫顽力的永磁合金的回复曲线接近于直线。回复线的斜率称为回复磁导率μrec，单位为H/m，它反映了永磁体内部磁化状态受外磁场影响的稳定性。

• 膝点Hk

当外磁场不断增大时，磁体的磁感应强度/磁极化强度下降的非常缓慢，但当外磁场大于某一值后，磁体的磁感应强度会快速下降。

通常我们将退磁曲线上Ji=0.9Br或0.8Br的点称为退磁曲线的弯曲点或膝点，这一点对应的磁场为Hk，也称为膝点（knee）矫顽力。当外磁场大于Hk时，磁体性能将发生大幅的不可逆损失，这也是Hk值备受关注的原因。

• 热稳定性

当外界温度自室温上升，磁性能初始的损失是可逆的，恢复温度即可恢复磁性能；

若温度升至一定温度以上时，磁体的组织结构遭到不可恢复的破坏，即为不可逆且不可恢复的磁性能损失。

• 居里温度Tc

磁性能发生不可逆损失的温度称为居里温度。此时的磁性能损失不能通过恢复温度来挽回，但通过再充磁还是可以恢复的。

• 磁稳定性

Hci大、内禀曲线矩形度高，稳定性高；回复线与退磁曲线重合，无不可逆去磁。

此外，还有化学稳定性，即抗腐蚀能力，可以通过涂层来提高；时间稳定性，即随着时间磁性能发生变化

三、磁铁的种类

常用电机磁铁主要种类有铝镍钴、铁氧体、钐钴、钕铁硼等，钐钴、钕铁硼属于稀土永磁类。

1.铝镍钴永磁体

铝镍钴：铝镍钴永磁材料发展始于1931年，是最早广泛使用的一种永磁材料。其属于铁合金，除铁外还主要含有铝（Al）、镍（Ni）和钴（Co），以及钛、铜等。因此，铝镍钴缩写为AlNiCo。

其可以被磁化以产生强磁场，并具有高矫顽力（抗退磁性），因此可以制成坚固的永磁体。

在1970年代稀土磁体发展之前，它们是最坚固的永磁体。其磁场强度，大约是地球磁场强度的3000倍。

AlNiCo的居里温度是所有磁性材料中最高的，大约在800 °C，尽管最高工作温度通常限制在538 °C左右。它们是即使加热时仍具有有用磁性的唯一磁体。

用途：

铝镍钴磁体温度稳定性和时效稳定性均好，适于制作仪器仪表、电机、电声器件、磁力机械等

2. 永磁铁氧体材料

典型化学组成：SrFe12O19(SrM), BaFe12O19(BaM)。进入50年代，铁氧体开始蓬勃发展起来，尤其是70年代，在矫顽力、磁能机方面性能较好的锶铁氧体大量投入生产，迅速扩大了永磁铁氧体的用途。

永磁铁氧体矫顽力较大，抗退磁能力较强，适宜在温度变化大的动态磁路环境中工作。永磁铁氧体材质硬且脆，可以用金刚砂工具进行切割加工。主要原材料是氧化物，故不易腐蚀，一般不需要镀层。工作温度：-40℃至+300℃。

永磁铁氧体的制备原料主要是氧化锶或氧化钡及三氧化二铁（在一些特定高牌号中会加入其它的化学成分，例如钴（Co）和镧（La）等，以改善其磁性能）。

按照生产工艺的不同，永磁铁氧体分为烧结和粘结两种，其中烧结又分为干压型和湿压型，粘结分为挤出成型、压制成型和注塑成型。由粘结铁氧体料粉与合成橡胶复合而成的具有柔软性、弹性及可扭曲的磁体又被称为橡胶磁。

主要应用：工艺品，吸附件，玩具，电机，扬声器等。

3. 稀土永磁

稀土就是化学元素周期表中镧系元素—镧（La）、铈（Ce）、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素—钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元素（Rare Earth）。简称稀土（RE或R）。

十七种稀土元素通常分为二组。

• 轻稀土LR（又称铈组）包括：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆。
• 重稀土HR（又称钇组）包括：铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。

3.1 钐钴材料

钐钴（SmCo）磁体是一种稀土磁体，是一种由钐和钴这两种基本元素制成的坚固永磁体。

20世纪60年代中期兴起的磁性能优异的永磁材料，1960年代初期根据Wright-Patterson空军基地的Karl Strnat和代顿大学的Alden Ray所做的工作开发的。特别是，Strnat和Ray开发了SmCo5的第一个配方。

钐钴磁体的强度通常与钕磁体相似，但具有较高的额定温度和较高的矫顽力。其极耐退磁，有良好的温度稳定性（最高使用温度在250°C和550°C之间；居里温度从700°C到800°C。

钐钴磁体具有很强的耐腐蚀性和抗氧化性，通常不需要进行涂层即可在高温和恶劣的工作条件下广泛使用

缺点：

• 价格昂贵，并可能受到价格波动的影响（钴对市场价格敏感）
• 很脆，并且容易破裂和碎裂。
• 钐钴烧结磁体表现出磁各向异性，这意味着它们只能在其磁取向轴上被磁化。这是通过在制造过程中对齐材料的晶体结构来完成的。

用途：

钐钴由于其性能非常稳定，特别适合于制造电机。但由于其价格昂贵，主要用于研究开发航空、航天、武器等军用电机和高性能而价格不是主要因素的高科技领域的电机中。

• 一些赛车使用的高端电动机
• 涡轮机械
• 行波管磁场磁铁
• 台式核磁共振波谱仪
• 旋转编码器，执行磁性执行器的功能

钕和Sm-Co烧结磁体的物理性能比较

3.2 钕铁硼材料磁铁

钕铁硼磁性材料是钕、氧化铁等的合金，又称磁钢。由通用汽车公司和住友特殊金属公司于1984年独立开发的，是商业上可买到的最坚固的永磁体。

钕是一种具有铁磁性的金属（更具体地讲，它显示出反铁磁性质），它可以像铁一样被磁化成磁铁。其居里温度为−254.2 °C，因此以纯净形式仅在极低的温度下才会出现其磁性。

但钕与过渡金属（例如铁）的化合物的居里温度可能会大大高于室温，并且这些化合物可用于制造钕磁铁。

钕磁铁合金由微晶粒组成，这些晶粒在制造过程中会在强大的磁场中排列，因此它们的磁轴都指向同一方向。晶格抵抗其磁化方向改变的电阻使该化合物具有极高的矫顽力或抗退磁性。

钕磁铁四方Nd2Fe14B晶体结构可以描述为铁原子和钕-硼化合物的交替层,具有极高的单轴磁晶各向异性，材料的晶体优先沿着特定的晶体轴磁化，很难在其他方向上磁化。

相对于钐钴（SmCo）磁体，钕磁铁的稀土的含量更低，价格更低，却具有更高的剩磁、更高的矫顽力和更高的磁能积。但与其他类型的磁铁相比，居里温度通常更低。

下表将钕磁铁与其他类型的永久磁铁的磁性能进行了比较。

钕磁铁的磁性能收合金成分、微观结构和制造技术有很大的影响。由于含有大量的钕和铁，容易锈蚀。表面化学钝化是目前很好的解决方法之一。

等级划分

钕磁铁可根据其最大磁能积进行分级，较高的值表示较强的磁铁。对于烧结钕铁硼磁体，存在公认的国际分类。其值的范围从28到52。值之前的第一个字母N是钕的缩写，表示烧结NdFeB磁体。值后面的字母表示固有矫顽力和最高工作温度（与居里温度成正比），范围从默认值（最高80°C到AH230 °C。

烧结钕铁硼磁体的等级：

• N30 – N52
• N30M – N50M
• N30H – N50H
• N30SH – N48SH
• N30UH – N42UH
• N28EH – N40EH
• N28AH – N35AH

用途：

具有极高的磁能积和矫顽力，同时高能量密度的优点使钕铁硼永磁成为驱动电机磁体的最佳材料。

除此之外，在仪器仪表、电声、磁选磁化等设备的小型化、轻量化、薄型化方面，有着越来越广泛的应用。

基于对世界上许多稀土矿的控制权，中国制造商已成为钕磁铁生产的主导力量。有人认为钕将成为世界上依靠可再生能源运行的地缘政治竞争的主要对象之一。美国能源部已经确定需要在永磁技术中寻找稀土金属的替代品，并已为此类研究提供了资金。

四、磁铁的制造工艺介绍

电机钕铁硼磁铁一般采用粉末冶金烧结制备。常见工序如下：

1. 原材料配料

按工艺设计的配比进行原料配制，常用的金属有如下几种:金属钕、镨钕、特硼、精硼、铜、铝、镓、铽、钴、铁、镝铁、铌铁。

工艺控制要点：

• 原材料纯度
• 清洁状态
• 称重仪器精确度

2. 熔炼制片

使用中频感应炉，在惰性气体或真空保护下，将配料工序配置好的原料熔化、浇铸成钢锭，装炉时依各类原料熔点由高至低的顺序依次放入。

工艺设备：真空熔炼炉

工艺控制点：

• 真空度；
• 装炉时原料摆放顺序；
• 预热、熔化、精炼、浇注各步骤的加热功率和操作时间；
• 重量、铸锭成分、外观、结晶。

熔融后的合金液体浇筑在高速旋转的冰冷的辊轮上，被甩成小片状，方便后续制粉工序。

3. 制粉

负责将熔炼后的产品制成细粉，主要过程有氢碎（中碎)、粗粉搅拌、气流磨、细粉搅拌。

3.1 氢碎HD

工艺简介：氢爆（HD）工艺，是利用稀土金属间化合物的吸氢特性，将钕铁硼合金置于氢气环境下，氢气沿富钕相薄层进入合金，使之膨胀爆裂而破碎，沿富钕相层处开裂，保证了主相晶粒及富钕晶粒间界相的完整。

反应化学方程式：

具有新鲜表面的钕铁硼合金在室温一个大气压的氢气环境下就可以进行吸氢反应，在500℃以上温度条件下，进行脱氢。

HD工艺使得钕铁硼的甩片变得非常疏松，极大提高了气流磨的制粉效率，降低了生产成本。

工艺设备：真空氢处理炉

工艺控制点：

防漏，吸氢前真空度，吸氢时间，脱氢温度、时间，冷却出炉温度。

3.2 粗粉搅拌

粗粉搅拌是通过搅拌罐的旋转使氢碎(中碎）后的粗粉混合均匀。

工艺设备：旋转搅拌罐

工艺控制点：

旋转速度、搅拌时间。

3.3 气流磨

使用高压氮气流将搅拌后的粗粉吹起，通过相互之间的碰撞使力度变小，成为细粉; 并通过分选，制备金属微粉。

气流磨制粉机采用多个喷嘴，在磨室内形成一个物料流态化的区域。旁边有进料口，顶部是涡轮分级轮。

将一定压力的高纯氮气通过喷嘴射入对撞粉碎区，使物料流态化，并在高速气流作用下，让物料在喷嘴交汇处产生碰撞，使颗粒破碎为细粉。

破碎的颗粒随上升气流通过分级轮，使小于规定尺寸的颗粒通过，大于规定尺寸的颗粒不能通过分级轮，又返回到对撞粉碎区，继续进行粉碎。而小于规定尺寸的粉末经输送管道送到细粉末分离器与高效旋风分离器进行分离，尺寸规格合格的粉料从出料口流出。尺寸小于规格要求的粉末要滤除，净化的氮气可反复使用。

气流磨设备

工艺控制点：

气体压力、气流分级轮转速及颗粒度控制。

4. 取向压型

取向的作用是使混乱取向的粉未颗粒的易磁化方向c轴转到同一个方向上来，从而获得最大的剩磁。压型的主要目的就是将粉未压制成一定形状与尺寸的压坏，同时尽可能保持在磁场取向中所获得的晶粒取向度。

采用成型磁场压机和等静压机进行二次成型，对于异形磁体，采用特殊的模具工装，直接成型，烧结后的磁体只需要进行稍微的表面处理即可投入使用，大大节省了材料和后续的加工成本。

工艺设备：磁场压机

等静压机

待压制产品装进设备后，产品受到各向均等的超高压介质作用,使产品密度增加。

等静压设备

5. 烧结

使用真空烧结炉对压型生坯进行高温烧结，达到性能所需的致密度；通过单级或双级回火，促进成分扩散、调整毛坯内部微观结构。

工艺设备：真空烧结炉

工艺控制点：

5.1 烧结温度：

烧结磁体的烧结温度既不能太低，这样无法得到高磁性能的显微组织；也不能太高，这样会导致晶粒异常长大，矫顽力迅速下降。

一般来说，磁体的最佳烧结温度与其成分和粉末粒度密切相关：当Nd含量较高时，或含有一定数量的轻稀土元素时，如Pr等，烧结温度应该适当降低；当压坯中磁粉的粒度较小时，在烧结过程中，界面能的推动作用较大，也应适当降低烧结温度。

钕铁硼烧结磁体的晶粒尺寸对其Hcj的影响示意图

明显看出晶粒尺寸与Hcj的相关性。此外结果表明，钕铁硼烧结磁体的Hcj可通过控制晶粒，细化为球形来提高Hcj。

5.2 其他控制点：

• 烧结炉的压升率和真空系统抽率；
• 炉内温区一致性；
• 加热前真空度；
• 风冷前充气压力；
• 出炉温度。

6. 机械加工

烧结之后得到的钕铁硼磁体均为毛坯，需要进一步机械加工以获得各种不同尺寸、大小和形状的产品。钕铁硼磁体由于比较脆，力学性能较差，一般只能采用磨削加工和切削加工。

工艺设备：平面磨床、双端面磨床、多线切割机、倒角机。

工艺控制点：砂轮转速、磨削补偿量、线轮槽宽度等.

7. 扩散

烧结钕铁硼磁体的扩散处理是对磁体成分的局部改变，即将适当重量的重稀土元素覆于磁体表面，然后置于保护气氛炉内进行热扩散处理和退火处理，使其渗入磁体内部，以提高磁体的矫顽力。该工艺能在显著降低添加的重稀土用量的情况下，提高磁体的性能达到使用要求。

重稀土元素在磁体表面涂覆的工艺常见的有：

• PVD，即将重稀土材料制成靶材，通过磁控溅射将元素着附于产品表面，然后置于保护气氛炉中进行扩散；
• 表面涂敷，将重稀土的化合物粉末溶于浓度适当的酸溶剂内,将溶液涂敷于磁体表面，烘干后置于保护气氛炉中进行扩散。

8. 表面处理

对各种形状的稀土永磁体进行表面处理，例如钝化、电泳、镀锌、镍、镍铜镍及磷化等，以保证产品的外观和耐腐蚀特性。

9. 成品检验和包装

对产品的外观、各种磁性能、耐腐蚀性能、高温性能等等进行检测，达标后进行包装，以满足客户的各种需求。

End.