【遨優動力·技術】可用磁通密度提高至30%,阿貢國家實驗室研發新型電機

2021-02-19 高工新汽車評論

 

日前,阿貢國家實驗室宣布其研發出了一款新的永磁電機,命名為HyMag。該款電機的革命性技術,可將永磁體的可用磁通密度顯著提高10%至30%,進而提高電動機的能效。

 

永磁電機的永磁體在被磁化後保持其磁化和磁通線,在概念上類似於保持電荷的電池。在上世紀90年代,由釹,鐵和硼組成的常規永久磁鐵在工業上普及。

同時,由於行業不願意為提高電機性能做更多的付出,以至於在過去的15到20年間,由於缺乏材料解決方案,磁能產品的增加已經變得非常難以實現了。

 

一方面,研究人員通過研究各種方法來改善現有磁性材料的成分、微觀結構和工藝。以使磁鐵能量產品獲得小幅度的改進。

 

(來自阿貢國家實驗室的HyMag電機設計)

 

另一方面,由於磁體的磁通量隨距離快速衰減,使得磁通量的使用不足。阿貢國家實驗室研究人員以特定方式組合混合材料層來減少漏磁,進而提高了永磁性能。

 

HyMag技術的另一個吸引人的特點是,它可能比具有相似性能的常規磁體在製造上減少對重稀土元素90%的需求,如鏑和釓。

 

而這些元素大多從中國進口,不僅稀缺、昂貴還難以回收利用。但是電動和混合動力汽車中的每個電動機含有大約十分之一千克的鏑。

 

由於阿貢國家實驗室開發的HyMag永磁電機,體積小,能量轉換高,在降低車輛成本的同時,還可以實現整車輕量化。如果,HyMag進行量產,對於新能源市場來說,將是一大利好。

 

根據全球電動汽車的銷售數據來看,2018年全球電動車銷量達201.8萬輛,同比增長72%。在全球電動汽車市場產銷快速增長的帶動下,新能源汽車核心零部件電池、驅動電機、電機控制系統等需求也跟著上漲。

 

產品方面,目前市場上的電動汽車主要配備的是交流感應電機和永磁電機。歐美市場異步電機使用較多,特點是雖然成本低,但轉速區間小,效率低,目前特斯拉等車企也逐步轉型永磁電機。日本車企使用永磁同步電機較多,轉速區間和效率都有優勢。

在我國,2018年新能源汽車電機裝機車輛中,永磁同步電機裝機佔比已達到91.4%,主要應用在乘用車領域,異步交流電機和其他類型電機裝機量佔比已經不到10%。而一直以來使用交流調速驅動電機的特斯拉,也打算在Model 3車型上使用永磁電機。未來,永磁電機的需求還將進一步提高。

 

產業鏈方面,電機主要由電子、轉子和機械機構三大部分組成。其中,鐵心是電機的定子和轉子的重要組成部分,其損耗和機械強度特性是鐵心的重要性能指標,而其損耗包過磁滯損耗和渦流損耗。具體到材料方面,鐵心有無取向矽鋼片和非晶合金。目前我國電機關鍵材料矽鋼片性能不佳,釹鐵硼用量較大,導致成本較高,將在一定程度上制約我國永磁電機的發展。

 

從發展趨勢來看,國產永磁電機的轉矩密度與國際水平和十三五要求差距不大,但最高轉速以及相應的功率密度和噪聲水平尚有較大差距。未來永磁電機行業發展趨勢主要有以下兩個趨勢:

 

性能趨勢:更高功率密度、更寬調速範圍、更低的製造成本。

 

技術趨勢:新材料的應用、新工藝的開發、新穎電機研究與創新發明、電磁,機械,傳熱等多種物理量仿真及優化技術。

 

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