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能够提高EV驱动电机效率的磁铁解决方案
2020年2月13日

能够提高EV驱动电机效率的磁铁解决方案

电动汽车(EV)作为应对全球环境问题的一项解决方案,已得到了广泛的推广。然而,必须清除许多技术障碍,才能使EV在世界各地全面安全、舒适地运行。其中一个解决方案就是提高驱动电机的性能(缩小尺寸、减轻重量和提高效率)。为实现可满足更高技术要求的电机,作为影响电机性能的元件,磁铁的改进必不可少。

使用EV驱动电机时遇到的技术挑战

汽车电气化正在世界各地稳步推进。尤其是在欧洲和印度,“EV转换”工作设定了明确的截止日期,以逐步停止销售由内燃机驱动的车辆。这一全球性的EV趋势预计将在全世界进一步加速。

电机驱动汽车的市场预测

电机驱动汽车的市场预测

来源:富士经济株式会社。2019年版HEV、EV相关市场全面调查

EV、FCV和PHEV预计将稳步增长,成为电动汽车和混合动力汽车(xEV)中的主流。

EV、HEV和PHEV之间存在着明显的区别。EV基本上只通过电机提供动力,HEV(混合动力汽车)由电机和内燃机驱动,而PHEV(插电式混合动力汽车)是HEV的高级版本,如果电机出现故障,可使用内燃机驱动,以备不时之需。此外,根据行驶状况,它们提供电机和内燃机两种使用选择,从而允许实现最佳节能驾驶。

另一方面,EV只能依赖电机作为驱动源。在各类驾驶场景中,包括需要频繁刹车和发动的拥堵路况、在陡峭山路和崎岖道路上越野驾驶、在高速公路上行驶以及载着不同数量的乘客和行李行驶,EV驱动电机都需要高效运行并使用较少能源。此外,考虑到这些要求有赖于效率的进一步提升,电机本身的微型化和重量减轻势在必行。而此处的重要因素就是磁铁的改进,其是会影响电机性能的元件。

EV驱动电机结构示例(示意图)

EV驱动电机结构示例(示意图)
EV驱动电机主要使用一种名为无刷电机的电机类型。图片显示的就是无刷电机的结构示例。该电机由转子(供应电流时旋转)和定子(用于转动转子)组成。转子包含钕磁铁。

应用强力磁铁和磁控技术的电机解决方案

EV驱动电机需要极强的磁能,因此使用了最强大的永磁体——钕磁铁*1。在这些磁铁中,TDK的钕磁铁(NEOREC系列)已达到世界上最高水平的矫顽力之一*2
与使用传统钕磁铁相比,这种强力磁铁可为电机提供大旋转力,有助于实现进一步微型化、轻量化和高效化。
要想进一步减小EV驱动电机的尺寸和重量并提高效率,则需要将电机形状和内部结构更改为更复杂、更多样的设计。这意味着,所使用的钕磁铁将需要更强大且采用不同形状,同时提供磁场指向,以便更高效地生成磁力。
TDK开发了一种能够精确制造各种钕磁铁形状的技术,以及一种能够自由改变磁场方向的控制技术*3。这些技术会根据使用条件/环境来优化磁铁,因而能够针对各种不同的电机设计提供最佳的钕磁铁解决方案。

平面形磁场和弧形磁场之间的方向差异(示意图)

平面形磁场和弧形磁场之间的方向差异(示意图)
内嵌式永磁(IPM)转子(磁铁嵌入到转子的金属芯内部)中平面形磁场和弧形磁场之间的方向差异。平面形磁场的方向是一个方向,而弧形磁场的方向是径向。

TDK还开发了一种技术,能够最大程度地减少钕磁铁中所需的重稀土元素*4,如镝(Dy)和铽(Tb)等这些不易采购的元素。2012年,公司推出了业内首款不含Dy的钕磁铁。通过这些努力,TDK希望继续满足电机设计需求,并通过降低磁铁采购中的供应链风险来支持EV的稳定生产。
TDK的磁铁解决方案可满足EV驱动电机的新开发要求,并支持零CO2排放的EV驾驶。

钕磁铁(NEOREC系列)

钕磁铁(NEOREC系列)
各种性能不同的磁性产品阵容。除了驱动电机,TDK还提供适合各种应用的广泛产品。选择最合适的设计有助于大幅减小使用磁铁的设备的尺寸与厚度,并提高磁力。具体信息,请参见TDK产品中心

术语

  1. 钕磁铁:磁铁主要由钕、铁和硼构成。钕磁铁被视为最强大的永磁体。
  2. 矫顽力:衡量在使用磁铁时抵抗退磁的能力。用使磁性材料退回到非磁化状态所需的力表示。厘米-克-秒(CGS)制中,使用奥斯特(Oe)作为度量单位;国际单位制(SI)中,使用安培/米(A/m)作为度量单位。
  3. 方向控制:经处理后,以沿特定方向对齐磁场。
  4. 重稀土元素:在17种稀土元素中,重稀土元素特别稀少,很难稳定采购。
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