非晶纳米晶磁性材料在汽车上的应用.

报告人：冯继军所属部门：工艺研究所金相与失效分析室时间：2011.9.14非晶纳米晶磁性材料在汽车上的应用研究可行性分析报告━内容1.中心目前的电动机方案：交流感应式电机和开关磁阻电机2.电机关键指标：高效、节能、小型轻便以及清净无噪音3.目前电机普遍采用的无取向硅钢特点4.本项目非晶合金的应用前景5.高校合作可行性6.结论7.项目目标8.2012年工作计划驱动电机，控制系统和电池是电动汽车三大关键元件。目前电动汽车使用的磷酸铁锂电池等方案仍然存在着价格昂贵，重量较高的问题。驱动电机作为电动汽车的关键元件，其效率，体积重量，转矩密度决定了电动汽车的性能，同时也对有效利用的汽车电池能量，增加其行驶覆盖里程和减少电池数量具有关键的作用。前言近期，安泰科技与北汽福田汽车股份有限公司和江苏扬动电气有限公司等八家非晶带材应用单位的合作签约开发应用于新能源汽车的非晶合金电机。日本一则新闻报道，同样的电池方案中，日本某汽车公司的电动汽车一次充电能够行驶500Km，而中国比亚迪公司的电动汽车行驶200Km。其主要影响因素是驱动电机的设计制造。据报道，深圳华任公司宣称，其公司生产的非晶电机的效率为92～98%的，而电机体积和重量却大大减小，从而极大的提升能源和资源的利用率。也就是说同样的电动汽车，如果使用了非晶电机可以增加其行驶里程30%以上，而同样的行驶里程设计下，电池可以节省30%的费用。Batteries600V25AhControlModuleElectricMotor40/60KW,477/716NmDieselEngine4H140406SAMTBMU公司自主D530混动卡车开发计划，使用的电机2种方案为：交流感应式电机和开关磁阻电机，无论哪种都在使用工频（50HZ）的无取向硅钢片。电机参数：额定40KW@2650rmp；477Nm最大60KW@2650rmp；716Nm发动及加速时的高转矩化高速对应高频运行的高效化空间布置要求的轻量化1.中心电动机方案电动汽车的电机有三种主要形式：异步电动机、永磁同步电动机和开关磁阻电动机。其中,异步电机主要应用在纯电动汽车，永磁同步电机主要应用在混合动力汽车中，开关磁阻电机目前主要应用在客车中低铁损硅钢高磁感硅钢高效率高转矩小型化电机对硅钢的要求铁损对效率的影响磁感对电机转矩的影响发动及加速时的高转矩化空间布置要求的轻量化高速对应高频运行的高效化高磁感系列使牌号上的数字尽可能小兼顾力学性能及成本2.电机关键指标x宝钢的牌号系列及性能大部分厂商的命名规则及含义铁损含义如：P15/50磁感应强度频率频率与铁损关系（35A230）厚度对铁损的影响3.无取向硅钢特点非晶态合金以其优异的性能，独特的结构，广阔的应用前景受到材料学家和产业界的关注。尤其是非晶合金带材作为软磁材料己经实现产业化，得到广泛应用。非晶合金带材正逐步取代软磁硅钢，能够使传统硅钢机电设备等的空载损耗降低70%以上。4.非晶合金的应用前景4.1.非晶态材料制备方法4.2.非晶态合金的软磁特性4.3.非晶合金与硅钢的主要物理性能比较项目非晶合金取向冷轧硅钢（轧向）无取向硅钢饱和自感应强度/T1.56（1.70）2.031.65矫顽力/A·m-141230铁损P15/50/W·kg-10.181.02.5电阻率/μΩ·cm1405050密度/g·cm-37.187.657.65饱和磁致延伸系数10-621010最大导磁率/Gs/Oe40000080004000注：铁损测量是在50Hz的工作磁场下测试的非晶：6万/吨成品硅钢：大块非晶合金是相对于传统的低维非晶材料(非晶粉、丝、薄带等)而言的，具有较大的三维几何尺寸。固态时原子在三维空间呈拓扑无序排列，表现为短程有序、长程无序，呈亚稳态结构，而且在一定温度范围内还可以相对稳定地保持这种结构。另外研究发现大块非晶合金在过冷液相区具有超塑性，也为大块非晶合金的塑性成型和加工提供了可能。自非晶合金问世以来，提高非晶成形能力，即得到大尺寸的非晶样品一直是人们努力追求的主要目标之一。在常规的冷却条件下，合金熔体在冷却过程中总是很快结晶而形成晶体结构的固体，一般需要采用至少105K／s以上的冷却速度来冷却合金熔体，才能制备出厚度在几十到上百微米的薄带状金属玻璃。最近lO年来，对金属玻璃的研究获得了很大的进展，人们可以在多个合金体系获得毫米甚至厘米级尺寸的块状金属玻璃。4.4.大块非晶合金大块非晶合金具有很强的非晶形成能力，突破了传统非晶合金的制造上需要高的冷却速率的工艺限制，在较低的冷却速率下就可以形成较大体积。目前大块非晶合金的制备方法主要有两类：①凝固法：由于多组元大块非晶体系具有很高非晶形成能力，其临界冷却速率小，故采用一些传统的金属熔体凝固技术即可，如喷射吸铸法、水淬法、定向凝固法、溶剂包敷法等；②固化法：即在过冷液相区采用热压或温压的办法将非晶粉末压制成大块非晶合金。它主要利用多组元合金体系的过冷液相稳定性高并具有粘滞流动性好的特点，如非晶粉末固结成形法、高压铸造法。③其它：非晶条带直接复合爆炸焊接、磁悬浮熔炼铜模冷却法、深过冷加液淬法、掺杂、替换法、落管法。铁基非晶、纳米晶软磁合金带材的磁性能牌号磁感应强度B800/T矫顽力Hc/(A/m)矩形比Bt/B800相对起始磁导率铁损/(W/kg)P1.3/50P0.4/10KP0.5/20KP0.2/10K1K101J≥1.45≤3.0≥0.80—≤0.20———1K101≥1.3≤4.0——≤0.30———1K101H—≤4.0≤0.20—≤0.30———1K102J≥1.5≤3.0≥0.80——≤35——1K102≥1.4≤4.0———≤30——1K102H—≤4.0≤0.20——≤25——1K103≥1.3≤4.0———≤35——1K104≥1.6≤4.0———≤35——1K105≥1.2≤4.0———≤35——1K106≥1.3≤4.0——≤0.25———1K107J≥1.1≤2.0≥0.85———≤35≤1501K107≥1.1≤1.6—≥60000——≤30≤601K107H≥1.0≤1.6≤0.20———≤25≤504.5.非晶带材国家标准08.0高效化节能化轻便化清净化生产铁基非晶、纳米晶合金软磁材料磁导率高矫顽力低铁芯损耗小磁滞伸缩系数小提高电磁能量转换装置的效率4.6.意义：5.高校合作可行性武汉科技大学材料与冶金学院金属材料工程系甘章华教授工作：非晶合金带材卷绕成型的环形铁芯已建成的非晶材料生产企业研究组成员自2005年起进行铁基块体非晶合金的研究，在非晶合金的制备、特性等方面积累了一定的研究经验。课题组2006年订购了一套1公斤级真空单辊甩带机和一套5公斤级大气单辊甩带机，具备了制备宽度在20mm以下的非晶薄带的能力。2007年起与江苏省扬州市宏夏非晶科技有限公司开展了合作关系，能够制备宽度在50mm以下的非晶合金薄带。同时，研究小组还自行制备了一台管式真空磁场退火炉，另还将对已订做的一台罩式真空退火炉进行改装成罩式真空磁场退火炉。2010.01～210.06探明磁场对Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3非晶合金相析出温度的影响；探明磁场作用下不同预退火温度对释放晶化潜热的影响。2010.07～2010.12进行不同磁场下预退火工艺和等温退火工艺的优化2011.01～2011.06研究不同磁场与温度场共同作用下，晶化后纳米晶粒的大小与分布。参加一次金属软磁材料领域的国内会议。2011.07～2011.12归纳并分析真空磁场退火，非晶合金晶化时的形核与长大规律。2012.01～2012.05研究交变磁场与直流恒磁场对晶化时晶粒生长取向的影响，并分析相应环磁场退火工艺下环状样品软磁性能的变化。2012.06～2012.10研究真空磁场退火工艺、纳米晶粒结构与铁芯损耗之间的关系。国家自然科学基金项目工作计划1.非晶态软磁材料以损耗低、导磁高的优异特性正逐步代替一部分传统的硅钢、坡莫合金和铁氧体材料，成为目前越来越引人注目的新型功能材料之一。6.结论2.非晶合金驱动电机是未来电动汽车关键技术之一。3.开展非晶纳米晶软磁材料应用研究不仅具有必要性，也具有可行性。7.项目目标研究一种铁基非晶、纳米晶软磁材料。该材料具有：（1）铁损很低，特别是高频铁损很低，以保证高节能。（2）磁致伸缩小，几乎为零，高频化时噪音很小，以保证在噪音标准内设计磁感高。（3）高磁感，磁化时铁损低、噪音低，以发挥软磁材料磁感方面的最大潜力，保证软磁材料最大限度内的磁感应强度。（4）导磁率高，以电动机小型轻便化。研究具有上述性能的软磁材料带材块状化的技术方法。研究上述磁性材料在汽车电动机上应用的可行性。8.2012年工作计划1铁基非晶合金软磁材料制备工艺武科大提供2非晶合金的性能分析与评价工艺所为主，部分借助武科大设备3合金优化饱和自感应强度/T1.80降低贵重金属含量Thankyou!