2012 五月

车载应用的铁氧体磁铁

壁薄、高性能、经济

TDK使用新的生产技术开发了一种超薄各向异性铁氧体磁铁,其尺寸和性能接近优质稀土磁铁。这种创新型TDK FB13B和FB14H磁铁使得面向广泛应用的小型高性能马达和致动器的经济设计成为可能。

节能、高性能的小型轻便型马达的需求正在增加,尤其是在汽车应用方面,马达的数量正在持续增长。在这些参数中,磁铁的选择是一个决定性因素。目前最高性能的磁铁为烧结钕磁铁,其中添加了镝(Dy)以提高其内在矫磁力(HCJ)。不过,作为稀土金属,钕,尤其是镝的供应非常有限。

因此,TDK一直在致力于寻找一种稀土材料的替代品。除参与日本最大的公共研发组织——新能源及产业技术开发组织(NEDO)的研究项目,开发更加省稀土材料的马达之外,TDK还致力于使用更为丰富的铁氧体材料开发高性能磁铁。其目标是:在大量应用中使用兼有高性能和成本竞争力的马达产品,例如空调的压缩机马达以及持续增长的电动车中的微型马达等。

高级铁氧体磁铁中的领头羊
TDK是高性能铁氧体磁铁的领军人物,这种磁铁只需用到少量的稀土金属。例如,TDK已经在上世纪九十年代引进了添加微量元素镧(La)和钴(Co)的新型合成材料,大大提高了磁铁的内在矫磁力(HCJ)。而目前,TDK也在提供使用干式和湿式成型技术制作的各种各向异性TDK磁铁产品(见图1)。

图1:烧结TDK铁氧体磁铁的性能改进

使用干式和实施成型技术制作的各种各向异性TDK磁铁产品。

每种技术都有其自身的优势。使用干式成型可以制作出比湿式成型更小、更复杂的形状;而使用湿式成型制作的磁铁,例如FB12材料,则可以提供更高的磁性。举例说明,FB12的温度系数为其上代产品FB6的三分之一,因此在低温度环境下大大提高了材料的防退磁性。温度为-40°C时,FB12的HCJ 为402 kA/m,其内在矫磁力大约为FB6N的1.9倍。因此,磁导系数(PC)可以做得非常小,或者将磁铁做得非常薄。

尽管使用湿式成型制作的磁铁拥有更高的磁性,但目前的技术有其局限性:成型时的最小厚度为3mm,而且需要相当大的烧成后研磨余量。也就是说,研磨需要额外的能量,并且存在研磨中损坏产品和/或产品强度降低的风险。在传统干式和湿式成型技术的基础上,工程师只能在更薄的外形和更高的磁性之间二选一。

超薄铁氧体磁铁的新解决方案
为了解决尺寸和性能之间的矛盾,TDK开发了一种名为“NS1”方法的新制造技术。NS1是一种新型薄形各向异性湿式成型技术,它可以确保生产的产品的尺寸和形状十分接近最终形状,可以减少表面修整的需要。此外,NS1比湿式成型技术提供更好的磁性。该方法的主要特征是可让成型产品拥有均匀的密度和最佳的方向。这样,新型FB13B和FB14H各向异性铁氧体磁铁不但可以拥有与稀土磁铁十分接近的磁性,还能拥有低达1mm的薄形状,因此,也为多极马达的进一步小型化设计打开一扇门(见表1)。

表1:用传统和TDK NS1铁氧体磁体设计马达

材料FB6BFB9BFB13B
极数224
马达直径(mm)403733.4
马达体积比(%)1008670
磁铁厚度(mm)5.03.51.9
磁铁总重量比(%)1007240
与传统的各向异性铁氧体材料FB6B和FB9B材料相比,新的超薄型TDK FB13B和FB14H磁铁使体积减小30%,重量减轻60%的多极电刷微型马达成为可能。

改进的设计自由度和性能
由于人们有义务改进燃油效率,降低CO2排放量,在汽车应用中,对更小、更轻马达的需求增大。在设计小型多极马达方面,薄形FB13B和FB14H磁铁是钕磁铁的经济替代品。新的铁氧体磁铁在耐热、耐腐蚀以及磁化能力方面也有着明显的优势。

图2:使用TDK FB13B材料的微型马达转矩

使用TDK FB13B材料的微型电动机的转矩比使用传统材料的马达增大14%(在马达直径Ø 14 mm的基础上评估)。

到目前为止,因为湿式成型磁铁不能做得足够薄,人们不得不使用干式成型磁铁。不过随着NS1 方法的开发成功,FB13B和FB14H磁铁已经可以取代汽车应用中所使用的微型马达电刷(Ø 14 mm)中的传统薄形干式成型磁铁,大大提高了马达的性能(见图2)。此外,NS1方法的成型性使生产带锐弧(两边均为锐弧)的C形磁铁成为可能。如图3所示,与相同形状的FB5D相比,转矩增大14%。这样便可以实现与使用钕磁铁的马达匹敌的性能。

图3:配置自由度使性能改良成为可能

新的NS1制造方法让设计更加自由,能够成型转矩更大的大弧度形状。

高性价比
凭借其出色的机械性能、磁性以及薄的外形,TDK FB13B和FB14H铁氧体磁铁十分适用于电动车窗、电动座椅、燃油泵中使用的小型马达以及其它小型马达和致动器。表2显示了两种材料的主要磁性。

 

表2:TDK FB13B和FB14H铁氧体磁铁的磁性

材料FB13BFB14H
剩余磁通密度BR(mT)475 ±10470 ±10
保磁力HCB(kA/m)340 ±20355 ±20
内在矫磁力HCJ(kA/m)380 ±20430 ±20
最大磁能积BH(kJ/m³)44.0 ±1.643.1 ±1.6
BR的温度系数(单位:%/K)-0.18-0.18

在人们越来越担心稀土元素的稳定供应的背景下,薄形、高性能铁氧体磁铁必定能够满足现今的要求。凭借优化的生产和研磨技术,同时由于减少了原材料的用量,新型FB13B和FB14H铁氧体磁铁得以在性价比方面表现出巨大的优势。

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