中国汽车工程学会(简称中汽学会)和电动汽车产业技术创新战略联盟(简称电动汽车联盟)长期致力于关键材料、零部件和整车的前瞻技术研究、共性技术攻关,“新型软磁材料技术进步促进驱动电机性能大幅提升”入选中汽学会2022年度10大前沿技术。非晶尤其是纳米晶具有高饱和磁感、低损耗等特性,符合新能源汽车轻量化、低能耗的发展要求,其在驱动电机上的应用也已引起特别关注。电动汽车联盟于2023年11月23日召开了《非晶纳米晶软磁材料和器件在电动汽车上的应用技术研讨会》,于2024年8月20-21日召开了《软磁材料和器件在电动汽车上的应用技术培训研讨会》,两次会议得到了中信金属股份有限公司和安泰科技股份有限公司的大力支持,以下内容有引用演讲嘉宾报告和整理公开信息。
一、纳米晶软磁合金市场情况
1988年日本日立金属公司的Yashiwa等人在非晶合金基础上通过晶化处理开发出纳米晶软磁合金Finemet(Fe-Cu-Nb-Si-B),当年日立金属公司纳米晶合金实现了产业化。2023年1月4日起日立金属改名为“博迈立铖(Proterial)”,目前商用化牌号Finemet系列产量最大,应用最为广泛。
纳米晶磁芯是以纳米晶带材为原材料,经过卷绕、退火、含浸、切割等工艺制成。根据QYResearch调研报告显示,2022年全球纳米晶磁芯市场销售额达到4.35亿美元,预计2029年将达到9.25亿美元,年复合增长率(CAGR)12.22%(2023-2029)。2022年,全球第一梯队厂商博迈立铖的市场份额约39%;第二梯队的安泰科技、德国VAC、佛山中研磁电、朗峰新材料、安徽智磁新材料等共占有约30%份额。
图1 全球纳米晶磁芯市场规模
2014年以前,国内纳米晶带材基本以重力喷带为主,产量增长趋势不明显,2014年以后,纳米晶薄带需求增加,行业内新建压力喷带机组增加,在市场拉动下产量迅速增长,2021年突破25000吨,2023年预计小幅增长,未来增长趋势还在继续。
图2 国内纳米晶合金产量及增长趋势
二、纳米晶软磁合金材料特性、制备工艺和应用情况
在Fe-Si-B系非晶态合金基础上,通过添加少量的Cu和Nb,可以获得Fe-Cu-Nb-Si-B合金,其中铌元素是纳米晶软磁材料的关键元素。首先通过快速凝固工艺制备出非晶态合金(前驱体),再通过磁场、张力等多种热处理工艺,在形核元素Cu和抑制晶粒长大的Nb元素共同作用下,合金的非晶态原子结构即可转化为晶粒尺寸小于20纳米的双相多晶结构。
图3 纳米晶软磁合金制备工艺
博迈立铖的FINEMET兼备了高饱和磁感、低损耗和高磁导率特性,表现出优异的综合软磁性能,尤其高频性能突出,因此分别替代坡莫合金(Permalloy)应用于要求高磁导率的电流互感器(CT),以及替代铁氧体(MnZn)应用于要求低损耗的高频变压器(TR)和高磁导率的共模电感(CM)等,获得了快速发展。安泰科技为国内纳米晶带材龙头企业,其铁基纳米晶带材宽度2-150mm,厚度10-26μm,饱和磁感1.25-1.44T,频率范围16kHz-100MHz。
纳米晶带材主要用于制作精密电流互感器、高频功率变压器、导磁片、高端共模电感等产品。
图4 铁基纳米晶材料应用场景和性能需求
从纳米晶带材到最终滤波器生产过程如下图所示。
图5 纳米晶带材到滤波器生产过程
三、纳米晶软磁器件在新能源汽车上的应用
软磁器件在车载充电机OBC、车载DC/DC变换器、高压配电盒PDU、驱动电机系统等新能源汽车新增部件大量应用,主要作用是实现滤波、储能、变压、测量和抗干扰等功能,对磁性材料的要求是宽频特性好,以满足电驱动高低频需求;损耗低,以延长续航里程;高居里温度,以提高温度稳定性;共模高阻抗特性,以满足高频化智能化的EMC苛刻需求。
在EMC方面,以电机驱动系统为例,功率器件快速通断与PWM调制是电磁干扰(共模+差模)产生的源头,通过线束、线束间的耦合向四周传输。需要采用滤波器抑制与有用信号频率不同的干扰,显著减小干扰电平,从而提高接收设备的信噪比。du/dt和di/dt引起的噪声在路径中传播产生的共模干扰是电机驱动系统EMI问题的难点所在。
图6 软磁器件在电机驱动系统EMI滤波器的应用
电驱动系统的高压化、高开关速度、高集成化趋势明显,给电磁兼容和电磁安全带来严峻挑战,对共模滤波电感的宽频、高阻抗特性要求提高。
图7 高压高速高集成电驱动系统带来电磁兼容和电磁安全挑战
800V电驱系统电腐蚀风险激增,对共模滤波电感抗直流偏置性能提出更高要求。但直流滤波器对轴承共模电压抑制作用有限,部分厂家已经通过增加三相磁环来抑制轴电流,当前三相磁环主流材料为纳米晶合金。与铁氧体相比,在低于50kHz时,在具有更低损耗的基础上具有高2至3倍的工作磁感,磁芯体积可小一倍以上。
图8 轴承电腐蚀产生机理和纳米晶磁环应用
四、纳米晶软磁合金发展趋势
由于宽禁带半导体开关器件的进步,电力电子技术向正在向更高频率更大功率方向发展,被动元件(电感和变压器)的成本和体积重量在电力电子设备中所占比重越来越大。纳米晶基础材料的发展趋势是制造超宽超薄纳米晶带材,性能发展趋势是进一步提高饱和磁感、降低材料损耗、磁导率可调以满足不同应用等。
纳米晶带材越薄,截止频率越高,有利于宽频阻抗特性;带材越薄,高频损耗越低,有利于提高效率。因此,具备纳米晶超薄带生产技术的公司代表了行业的高水平,但对纳米晶制备工艺和装备水平提出更高要求。另外,连续化生产可辊剪的超宽>120mm纳米晶带材可实现材料低成本制造,提高综合性价比。
图9 纳米晶带材轻薄化发展
PROTERIAL在FINEMET®早期牌号FT-3KM和FT-3KL基础上进一步开发了高频阻抗特性优异的FT-3K50T和抗直流偏置特性增强的低磁导率FT-8K50D。重点应对高频EMI抑制和大电或直流偏置饱和问题,显著提高了共模产品的性能,并减小了体积。
表1 FINEMET®和锰锌铁氧体之间的磁性能和物理性能对比
PROTERIAL专门开发了具有适中的磁导率(~10000)和极低高频损耗的FT-3TL,适用于中频或高频变压器。
图10 不同磁环损耗-频率曲线
目前博迈立铖、德国VAC、安泰科技等头部企业已经开发了低磁导率纳米晶合金,但其中含有贵重金属元素,成本有所增加,并且磁导率不低于2000,虽然可以满足共模电感抗饱和的要求,还无法应用于功率电感,目前更低磁导率的纳米晶产品鲜有上市。
金玻新材料技术有限公司开发了一种卷对卷连续化生产纳米晶磁芯的专利技术(RTRJS),磁芯的磁导率可以在很大范围任意定制,单磁芯的磁导率可以径向调制。根据磁导率大小和应用分为3个型号(L/M/H),替代不同材料、满足不同应用。
图11 L/M/H 3个型号纳米晶磁芯
中低磁导率纳米晶磁芯具有优异的高频阻抗特性,适用于共模电感。低磁导率纳米晶磁芯具有优异的抗直流偏置性能,适用于功率电感。并且JMµ和JLµ系类磁芯的磁导率可以在很大范围内任意定制,可以满足大电流或DC偏置情况下的应用要求。
第三十一届中国汽车工程学会年会暨展览会(SAECCE 2024)定于2024年11月11-14日在重庆市·西部(重庆)科学城科学会堂召开。先进软磁材料应用技术作为其中一个专题论坛,将聚焦非晶、纳米晶等先进软磁材料和器件,探讨其在解决EMI和轴承电腐蚀技术路线和发展趋势。敬请关注!
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