详解磁性材料在汽车电子器件中的应用

汽车电子的发展对磁性材料的要求

通常地，对汽车用磁性材料的要求是各类电机对永磁材料的要求。

用作永磁电机的磁体，一般要求有高的磁性能，从而产生较大的气隙磁场;磁性能稳定性好，温度系数小;有较高的 工作温度，以防止高温下退磁;有较好的机械性能和较低廉的价格。根据永磁电机的种类和结构不同，选择永磁体时考虑的出发点也不同。

汽车用永磁电机，一般从 价格上考虑较多，故多选用铁氧体磁体，高性能的稀土NdFeB磁体，由于其磁性能高，磁体的体积就相应地做得较小，随着稀土永磁价格不断下降，越来越多的 汽车电机采用NdFeB稀土永磁材料。

永磁体装在电机上时，要与电机转子或定子产生一定距离大小的气隙(一般为0.5～1mm)。因此必然在 气隙两侧永磁体的表面上产生磁极，这种磁极在磁体内部产生一退磁场，其方向与原来磁化时的外磁场方向相反，而且气隙越大，退磁场越强。这就是说永磁体是处 于退磁场作用下进行工作，而且就工作在退磁曲线的某一点上，所以希望永磁体在退磁场作用下仍能保持高的磁感应强度，即要求HCB要大，HCB越大表示抵抗 退磁场作用能力越大。

衡量永磁材料在电机中应用的关键因素是：剩磁(Br)、矫顽力(Hc)、磁能积(BH)m、退磁曲线形状、磁体的温度稳定性，尺寸、 体积与重量、制造成本等。

汽车永磁电机对永磁材料的一般要求：

1、高的HCB，才能保证电机输出所需的磁动势，使电机工作点靠近最大磁能积，充分利用磁钢的能力;

2、高的Br，才能确保电机有较高的转速、大的输出扭矩和大功率;

3、高的HCJ，可保证电机较强的过载、退磁及抗老化、抗低温能力;

4、高(BH)m，(BH)m越高，表示永磁体在电机中实际运行的工作系数越好;

5、磁通量Ф越大越好，这将极大地提高电机的工作效率;

随着汽车电机向轻量、小型、高效率化发展，要求磁体厚度越来越薄，为保证磁性能的稳定性和电机输出功率、电压的稳定性，对HCB和HCJ要求更高。

表1　汽车各部位的最高温度

汽车部位最高温度发动机150℃仪表板140℃ 底盘 85℃外部121℃仪表板(顶部)113℃ 仪表板(其它部位)85℃尾部面板107℃装货室85℃

根据电机在汽车上不同的位置、结构和作用，对永磁材料的要求也各不相同。比如汽车各部分温度不同，对所用材料的耐热要求也不同，耐热标准一般是指不可逆 退磁小于3%。这样就要求材料有高的内禀矫顽力。这是由于磁性元器件关系到汽车正常运转和各功能的实施。因此耐热性是防止交通事故，确保人员和财产安全的 重要指标之一。表1列出了汽车各部位的最高温度。

由于永磁铁氧体原材料丰富、价格低廉、居里温度高、温度系数小及耐腐蚀性好，适于工作环 境较恶劣的汽车电机应用。故目前或将来较长一段时间内，电机中永磁铁氧体仍占较大比例。尤其是永磁铁氧体材料性能近年来不断提高，能更好地满足汽车电机发 展的需要。今后的趋势是：中低档铁氧体将被高档永磁铁氧体取代，需要小型化、高性能化永磁电机将不断增多，其所用磁性材料随着钕铁硼材料价格的下降而被越 来越多地使用，对NdFeB的要求是其抗蚀性和耐热性要好。

现对几种主要电机对铁氧体的要求作一简单分析。

启动电机

由于启动电 机安装在发动机上，必须面对严峻的工作环境，如高温、低温、尘埃或盐水，只有铁氧体材料能完全适用，因此现在启动电机95%左右批量采用瓦形永磁铁氧体。 根据启动电机电磁转矩公式(M=cmφIa)要使电磁转矩大，就要磁体有高的(BH)max和Br值。另外，由于磁体受温度变化影响，因此要求其磁通不可 逆损失≤5%(有的厂家要求≤3%)，因此又要求磁体有高的HCJ值。现在启动电机用铁氧体磁性能Br值一般在380mT以上，HCJ至少为 358kA/m。随着整车厂对启动电机特性要求的提高以及对启动电机体积和质量的减小，已有一些电机制造商采用Br为430mT和HCJ为395kA/m 的永磁铁氧体磁瓦。

雨刮器电机

雨刮器电机对磁性能HCJ取值要求虽无启动电机高，但也要求做低温冲击退磁试验，多数用户要求磁通变化小于5%，也有些用户要求小于3%，将来雨刮器电机的体积与质量比现在要缩小20%左右，因此Br值达450mT的磁体即将用在雨刮器电机上。

燃油泵电机

由于燃油泵是连续较平稳地运行的，又整体浸在汽(柴)油中，工作温度稳定，故对HCJ要求比上述两种低些。但燃油泵体积很小，要求高的磁通量，故对Br 和(BH)max值要求高些。现在大批量用一般Br要求达到420mT，(BH)max要求达到33kJ/m3。又由于燃油泵电机整体安装在油箱中，故对 磁瓦外观与清洁度有严格要求，不允许有红粉、掉角、碎片出现。已有公司采用Br达460mT的磁瓦，用于燃油泵电机，进一步减小体积。

随着汽 车电子技术进步，汽车中的电子控制系统、音响系统、影像系统等所用的软磁材料也越来越多。这些设备对软磁材料及元器件总的要求是高磁导率、高饱和磁通密 度、高频下低损耗、高输出功率、高温工作稳定性等，在汽车导航、雷达识别及全球定位系统中应该重点关注软磁器件的抗电磁干扰特性，选择使用高性能和高可靠 性的EMI(EMC)材料。

由于汽车部件通常有两万之多，而其中磁性部件也有多达数千个，本文不对它们的要求作具体分析。另外，随着汽车电子的快速发展，将来汽车中新的电子器件配置，对磁性材料及器件的新应用又有新的要求。

永磁材料在汽车电子器件中的应用

当今每辆汽车中已有40～70处用到永磁材料，大多数用于电机、执行器和传感器。以汽车电机为例，目前每辆汽车平均使用的永磁电机就超过30只。采用永 磁材料的永磁电机可帮汽车实现电子功率控制、刹车控制、驾驶操作等功能。未来的控制功能一般都需要使用永磁材料及永磁电机，汽车上的主驱动将更多地利用计 算机控制，这些特点要求增加很多小的电动机，以利用各种不同的控制功能，如燃料或节流控制等。高性能永磁没有激磁损耗，不发热。在电机设计中增加了更多的 灵活性，改变常规设计，包括圆盘式电机和外转子型电机的设计，由于其惯性小、电抗低，可达到更好的动态特性和高速度能力，完全满足现代汽车对发动机高功率 与电子系统高可靠的要求。

永磁材料的不断发展又给汽车电机工业带来了福音。随着汽车永磁电机向小型化、轻量化、高效率化的不断发展，以 NdFeB，特别是粘结NdFeB永磁材料为代表的高性能稀土永磁材料由于价格不断下降逐渐取代部份传统的铁氧体永磁电机，如用于启动电机、发电机、自动 刹车，以及油泵电机、空调电机等，今后将广泛用于操纵系统。通用汽车公司自80年代末即开始采用NdFeB粘结磁体于一些车型的启动电机，在等同的输出力 矩下，用NdFeB的启动电机重量减轻一半，体积缩小1/3，效率提高。目前汽车中永磁材料，主要用于电机、执行器和传感器。以电机为例，中低档轿车要用 到30多台，豪华轿车使用70多台，有的甚至多达100多台。现在汽车上用的永磁材料一般有永磁铁氧体、NdFeB永磁、SmCo永磁和AlNiCo永 磁。下面分析介绍其主要应用。

永磁铁氧体的典型应用

启动电机、刮水器电机、发动机冷却风扇电机、调压式刮水器臂用电机、座椅 自动调节用电机、空调器电机、转向联动用雾灯电机、前照灯矫正装置用电机、电动速度表用电机、电动转向无刷电机、电动水泵、电动油泵、电子空调器、扬声 器、传感器(位置、速度、压力等)等汽车部件，均需用到永磁铁氧体。具体应用情况见表2(详见《磁性材料与应用产业资讯》2005年11期)。

NdFeB永磁体的主要应用

混合电动汽车用NdFeB永磁无刷直流电机

近年来，由于世界范围内资源、环境问题日益突出，石油价格猛涨，各国都在加紧实施电动汽车的研发计划，混合动力车(HEV)和燃料电池车(FCEV)成 为新的热点。混合动力电动汽车同时拥有电机驱动和发动机驱动系统，这种油和电混合使用的新型交通工具将受到人们青睐。稀土永磁无刷直流电机是其核心部件， 这是实现各种工作模式的关键，直接影响电动汽车的性能。该无刷电机基本构成与普通无刷电机一样，主要由永磁电机本体、功率电子换向器和转子位置传感器等组 成，主要特点是轴向厚度尺寸小、重量轻、输出功率大、效率高，集电动、发电及制动功能于一体，并能频繁地进行电动和发电可逆工作。

发电装置

随着农村经济的发展，我国农用运输车的产量不断增加，年产300万辆以上。目前小型农用车所采用的发电机主要是永磁交流发电机，存在低速时照明效果差的 问题，从而容易造成这种车夜间行驶或路况差转向时易发生交通事故，并且不能直接给车辆驾驶棚的刮雨器、暖风机等提供直流电源。因此稀土永磁发电装置应运而 生，其电压输出稳定，成本低，性能可靠。该装置包括电子稳压器、发电机壳盖、定子(由铁心、线圈构成)以及转子(由轴、铁心和NdFeB永磁体构成)。这 种将发电机与电子稳压器设计为一体并采用高性能稀土永磁体作磁极的发电装置能实现直流恒压输出，体积小，重量轻，成本低，使用安全可靠，解决了汽车夜间照 明、转向指示、电喇叭、刮雨器、暖风机等设施所需的直流电源。

随着NdFeB抗蚀技术发展，性价比下降，NdFeB在汽车中的应用也越来越多。

AlNiCo和SmCo

由于它们均含战略物资Co，因而在汽车中应用有所限制。但由于AlNiCo的磁性优于铁氧体，而抗蚀性又优于NdFeB，故仍有些部件要用它。表2列出了上述几种材料在汽车各部件电机中的应用情况。

随着汽车永磁电机向小型化、轻量化和高效率化的不断发展，以NdFeB(尤其是粘结NdFeB)永磁材料为代表的高性能稀土永磁材料由于价格不断下降逐 渐取代部分传统铁氧体永磁电机，如用于启动电机、发电机、自动刹车，以及油泵电机、空调电机等，今后将广泛用于操纵系统。

另外，对汽车高速、 安全、舒适的要求，使得其电子化程度越来越高。汽车上需用的磁性材料也越来越多。例如在车载毫米波系统、电子控制系统、通信系统、车载音响、电视、多媒 体、路边摄像机等设备，即需用到永磁体磁场、永磁传感器、执行器、磁钉、永磁轴承、永磁支撑与夹具、新型功能微电机等等。

软磁材料在汽车电子器件中的应用

随着汽车技术和电子技术的发展，高频、微型、超薄型、抗EMI/RFI、低功耗、组件化、智能化等性能优良的车用磁性元器件应运而生，以满足节能、环保 和电子信息设备数字化、多功能、智能化、轻便、灵巧等多种需要。软磁材料尤其是非晶超微晶和磁性薄膜在这里大有用武之地。下面简单介绍一下软磁材料在汽车 中的应用情况。

感应电动机

虽然目前大多数用永磁材料，但美欧的电动汽车，很多使用高频低损耗金属软磁材料作磁芯的感应电动机，其最高输出功率为70～100kW。

传感器

一辆普通轿车有数十上百只传感器，豪华车上的传感器数字可多达200多只。其种类一般有30多种，多则达百余种。软磁材料在其中的应用也不可缺少，例如用热敏铁氧体和金属材料作的温度传感器、露传感器、热敏开关、热簧继电器、电磁感应线圈。

车载毫米波系统

此处所用电源大多为开关电源，其主变压器、扼流圈、噪声滤波器，可用高档功率铁氧体、高导软磁铁氧体或非晶软磁合金、铁基纳米晶合金作磁芯组件。如多种 电感器、变压器、继电器、环行器、隔离器、滤波器、开关、调制器、振荡器、移相器等。用于通信中，软磁元件的主要作用是：作加感线圈，降低信息衰减，增长 通信距离;作信道滤波器，选择与分离信道信号，防止失真;作线性宽带变换器和脉冲变压器，分离电位，调节电压并转换效率;作扼流圈，滤除不需要的高频电 流;等等。

照明系统

照明高压变压器、镇流器和振荡器变压器需要软磁材料作磁芯。

车载音响、电视、影像系统

这里需要大量的电感器、滤波器、共模扼流圈、变压器等。要用多种铁氧体磁芯系列，如BB，RH，T，SH，DR，EE，ER系列等。