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永磁体在现代汽车发展中的广泛应用
[发布日期:2019-01-03  点击次数:700]

1前言
   随着汽车的电子化、轻量化、舒适性和安全性的提高,以及环保、节能等的要求日显,在汽车中的电气部件和电子器件在增加技术含量的同时,也力求实现小型轻量化和高功能高效率化,其中,永磁体起着重要作用。
   汽车部件及电子元器件中离不开永磁铁,通常使用的主要有以下几种:铁氧体烧结永磁(F);铁氧体粘结永磁(BF);钕铁硼绕结永磁(R);钕铁硼粘结永磁(BR)。组成磁回路的软磁材料要求导磁性好,旨在更佳发挥内置于磁轭中的永磁体磁性能。此外,汽车的最高温度,一般在车罩内为353k(80),发动机室内为398k(125)。为在各种使用条件、气象条件下确保汽车的正常运行,要求汽车部件及元器件中使用的永磁体能具有最高温度以上的耐热性和可靠性。
2永磁在汽车行驶、转向、停止各功能部件中的应用
   汽车发动机起动前,操作钥匙开关,此时,装有永磁起动电动机启动,通过点火线圈放电后,发动机开始旋转。而向火花塞引发高电压的点火线圈也是装入了永磁体的电子器件。为控制发动机达到最佳工况,需要对凸轮转角和曲轴的转角进行检测。角度的测量主要利用装有R永磁的电磁传感器;为测定车轮转速,在装上轮胎的车轴上也配置了同样的传感器。由传感器获得的信息,在控制发动机的微机ECU(电子控制单元)上进行处理,将燃料喷射控制、点火时间控制、怠速控制等调控于最佳状态。这些转速传感器因装配的位置不同,对永磁体耐热性的要求也不同。
    电动(电子助力)转向机构(EPS)是内置有磁体的转向功能部件。原来的液压式动力传动转向机构,运行中经常是驱动油压泵,而EPS操控转向时仅驱动电动机。EPS重量更轻,且避免了笨重的操作,减小了振动和噪音,今后EPS将迅速普及应用。目前全世界的市场规模约有700万台,预计2010年将配置2500万台。

    内置永磁体、作为汽车“停止”的功能部件有ABS电动机及传感器。来自轮胎车轴上转速传感器的信息,通过ABS电动机进行油压控制,将稳定的制动力传递至各轮胎而安全停车。对于大型载重汽车或公交车,制边系统中配置了NdFeB烧结磁体,制动力相应增大以确保可靠性。
    继脚制动、发动机制动、排气制动之后,被称为第四种制动的永磁式减速器。这是装有数千克NdFeB烧结磁体的定子和滚筒结构的转子组成的。需要制动时,带有磁铁的定子通过气缸的操控,滑入与推进器轴连接的转子内侧,磁体与转子之间形成磁回路而产生涡流。藉此涡流与磁铁磁场的相互作用,产生与转向相反的作用力,此力即为制动力。车速越快,产生的涡流越大。故装入的磁体应能承受涡流产生的反向磁场及其发热。要具有充分的耐热性。此外,永磁式减速器在高速行驱中或较长的下坡道上应提供可靠的减速能力,还要能实现制动里衬和轮胎的长命化。
    对于大多数混合型车,均装入有效利用能量的再生制动系统,即制动时将电动机作为发电机运转,把制动的能量转变成输出的电力向蓄电池充电,因而可提高能量的利用效率。
3 42V电源化与永磁体
    针对汽车用电设备的大量增加,车用电源现已开始从原来标准电压14V(蓄电池电压12V)逐渐向高其三倍的42V(蓄电池电压36V)电源发展。目前,一辆典型的客车应能在满载时达到1kW的功率;更加豪华的、具有连续载荷的车辆,如载荷功能同时启动,必须要达到2.8kW的功率。若按传统的14V充电系统,相当于交流发电机要产生200A的大电流。因此,随着汽车对电量和功率的需求不断增大,14V系统的性能已达到极限。
     42V系统具有很多优越性。首先,流过电线的电流可减小到1/3;对于半导体工业来说,更低的电流意味着硅成本的降低,芯片面积会有潜在的20%减小;更小的芯片尺寸就有更小的封装可能,因而成本更低。电缆横截面的减小导致质量的减小,这意味着汽车的总重量也会减轻。未来汽车需求高功率的部件实例如图3所示。通常,500W以下的EPS用电动机,原14V电源系统尚可满足,但较大型的或先进的车辆,则需要更大的电源输出。目前正开发能产生高电压的交流汽车发电机,以及交流发电机与起动机一体化的ISG等。这些装置的优越性能均与其内置的永磁铁密切相关。例如,美国德尔福(DELPHI)技术中的Energen与系统,能产生5KW的功率;其新型车用停止——起动装置,在通常的发电机安装部位设有ISG,当车辆行驶遇红灯时松开离合器,发动机即能自动熄火,避免怠速时的油耗及排放;当交通信号转为绿灯时,只要再踩油门,发动机又可立即起动。ISG即使在发动机停止时,仍能驱动汽车空调的压缩机。对于混合型车或具有怠速停止(idling stop)功能的车,为在发动机停止时能保持车内空调的舒适感,最近又开发了装入NdFeB烧结磁体的高效率电动压缩机。
4永磁体在混合动力车上的应用
    新型Prius的丰田混合系统(THS)中,由于驱动电动机电压从过去的247V提高到500V,故对电动机有可能大功率供电。电动机上NdFeB绕结磁体的最佳配置,如图4所示为V字型配置。可提高驱动转矩并增大功率。电动机的性能示于图5。结合电源的高压化,对比相同尺寸的原系统,功率从33KW增加到50KW,约提高50%。
在减速或制动时,利用再生制动系统将制动能量转换为电力向蓄电池充电。藉助电动机功率和发动机功率的相乘效应,在10·15的模式下行驶,可达到30.0~35.5km/L的低燃耗。
    在混合车的发电机上,也使用了与驱动用电动机同样的高耐热性NdFeB烧结磁体。早在2004年5月,日本丰田Prius、本田Civic等混合动力车的销售额就开始逐步扩大,特别是新型Prius一开始就切入了最佳起点。由于混合型车及其它汽车制造厂对环保、节能等方面的重视,今后混合型车的计划产量将逐年俱增。
       LCA是汽车开发、生产、使用、废弃整个寿命周期(LC)内对地球环境的影响进行评价的方法。通过LCA对环境废弃物质CO2、NOx、SOx等的排放量所作比较,结果证明:混合型车比同一级汽油车的有害物排放量少,这也意味着NdFeB稀土永磁在其中所起的积极作用。
5 IMTS与永磁铁
     早在2005年,在日本的万博会场内,作为交通工具引入了利用智能运输系统(ITS)技术的多模式智能运输系统(IMTS)。在巴士(BUS)车专用道的中心路面,埋设了一列列内置永磁片的磁标(识器)。因为采用了自动转向机构、自动速度控制、定点停车功能、自动刹车、防止突然冲击等先进技术,三台巴士组成队列,在磁标上可实现无人驾驶自动运行。所用的巴士车上配置的发动机是以绿色的压缩天然气体为燃料符合环保要求。此外,以名古屋地铁的丘站到万博会场,作为入口通道,开通了装有永磁电动机的磁悬浮型直线电动车。这样,万博会场及其周边正稳步而顺利地展现出与永磁密切相关的未来交通蓝图。

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