第27卷第4期湖北汽车工业学院学报V01．27No．42013年12月ofHubeiofAutomotiveDee．2013Journal UniversityTechnologydoi：10．3969匀．issn．1008—5483．2013．04．015高性能烧结钕铁硼永磁材料及其新能源汽车驱动电机中的应用胡志华(湖北汽车T业学院材料科学与T程学院．湖北十堰442002)摘要：高性能烧结钕铁硼永磁材料是用于新能源汽车驱动电机的核心关键材料，对电机的性能起着重要作用。本文详细阐述了高性能烧结钕铁硼永磁材料的发展现状和趋势、驱动电机性能与钕铁硼永磁材料磁性能之间的关系以及高性能烧结钕铁硼永磁材料在新能源汽车驱动电机中的应用。关键词：钕铁硼永磁材料；新能源汽车；驱动电机；磁性能；电机性能中图分类号：TGl32．2q2文献标志码：A文章编号：1008—5483(2013)04—0063—05ofPerformanceSinteredNd-Fe-BPermanentDevelopmentHighMaterialsandTheirinMotorofMagneticApplicationsDrivingNew VehiclesEnergyHuZhihuaofMaterialsScienceandofAutomotive(SchoolEngineering，HubeiUniversity Technology，Shiyan442002，China)Nd-Fe-Bmaterialsarethe materialsforsinteredAbstract：Highperformancepermanentmagnetickeythe motorofnewanroleintheofenergyvehicles，anddrivingplay important performancedrivingofsinteredNd—Fe—Bmotor．Thecurrentsituationand trenddevelopmenthighperformancepermanentmaterials，the betweentheofmotorandthemagneticrelationshipperformancedrivingmagneticofNd-Fe-Btheofsinteredmaterials，andproperties permanentmagneticapplicationhighperformanceininNd——Fe-Bmaterialsthe motorofnew vehiclesweredescribedpermanentmagneticdrivingenergydetail．words：Nd—Fe—BKeypermanentmagneticmaterials；newenergyvehicles：drivingmotor；magneticperformanceproperties；motor新能源汽车驱动电机是新能源汽车的核心部可能宽广的弱磁调速范围、高功率密度比、高效率、 件．是纯电动车和燃料电池汽车上唯一驱动部件．是高可靠性等优势而被用作新能源汽车驱动电机．有 油电混合动力汽车实现各种工作模式的关键．直接效地降低新能源汽车的重量和提高其效率∽。
高性 影响混合动力汽车的油耗指标、排放指标、动力性、能烧结钕铁硼永磁材料是用于稀土永磁驱动电机的 经济性和稳定性_I-。稀土永磁驱动电机因其具有尽 核心关键材料，对电机的性能起着重要作用。 收稿日期：3013-06—21业学院博士科研启动基金项Et(BK201201) 作者简介：胡志华(1980一)，男，四川资阳人，博士，副教授，从事金属功能材料和金属材料的强韧化研究： 万方数据 ．--——64．--——湖北汽车工业学院学报 1 高性能烧结钕铁硼永磁材料的发展现状及趋势烧结钕铁硼永磁材料的发展始于20世纪80年 代，是一种多相结构，主要由主相(Nd2Fel4B相)和少 量非磁性相(富钕相和富硼相)等构成，被称为第三 代高性能永磁材料[3]。其中，主相(Nd：Fe。4B相)的晶 体结构相当完整，很难看到晶体缺陷和第二相沉淀．7}jf；j图2烧结钕铁硼永磁材料的最人磁能积发展趋势 仅有极少数Nd2Fe。4B晶粒内部观察到d—Fe、Nd：O，表1烧结钕铁硼永磁材料的主要指标与理论值对比 或富钕相的沉淀。主相(Nd2Fe。4B相)的晶体单胞结 构如图1所示，它是由4个Nd：Fe。
4B分子组成，属于 四角晶体，晶体点阵常数a为0．8792am、c为1．2177 nm，理论密度为7．629．em--3；整个晶胞单元可看作2 个富Nd、富B原子层和4个富Fe原子层沿c轴交 替组成。主相(Nd：Fe。4B相)是硬磁性相，对烧结钕铁稀土的晶界扩散技术——添加重稀土单质或化合物 硼永磁材料的磁性能起着丰要作用一(氧化镝、氟化镝)的微米、纳米粉末：细化晶粒、双合金化法和掺杂稀土氢化物(氢化镝)等方法，以实现J，～重稀土元素直接进入主相和晶界相间的外延硬化层中来增加磁体的内禀矫顽力。Nakamura等人研究结，，；：【1叠， 蓊 果表明[15]．重稀土晶界扩散过程中磁体表面的矫顽k篷萑鲨，，f刳力随着镀层数量的增加而增加．同时扩散深度几乎是相同的：扩散热处理温度在800。900℃之间不影仁鍪熟嚣7一响磁体的矫顽力分布：长时间扩散处理有助于提高雾I霉§§￡p’：；磁体内部的矫顽力．但时间太长会使得磁体表面的，(～。pI∥7矫顽力明显降低。Ooto等人研究结果表明E16]，烧结钕铁硼磁体的晶粒尺寸为1I．Lm时．不添加重稀土元素幽lNd2-e-4B化合物的晶体结构可以获得内禀矫顽力为20kOe的磁体：当磁体的晶烧结钕铁硼永磁材料经过近30年的发展．其 粒尺寸为3¨m时，磁体的矫顽力降低为17kOe。
孙 磁性能、力学性能和抗腐蚀性能都得到很大改善．绪新等人利用双合金法优化边界结构．使得磁体的 材料品种和牌号不断增加[4．-133。实验室制备出的烧 内禀矫顽力达到36kOe．2600C时磁通的不可逆损失 结钕铁硼永磁材料的最大磁能积世界记录不断被仅为5％．22～220oC剩磁和矫顽力的温度系数分别 刷新．其发展趋势如图2所示。烧结钕铁硼永磁材 为．0．110％『℃和-0．381％，℃[17]。kJ·m--3 商业生产的多牌号高性能烧结钕铁硼永磁材 料的最大磁能积(BH)。已由1983年的279 提升到2005年的474kJ·m-3．相当于理论最大磁能料的磁性能如图3所示。高剩磁的高性能烧结钕铁 积(512k．1．m．-3)的93％．其主要指标与理论值的对硼永磁材料主要用于VCM等领域．高矫顽力的高 比如表1所示[14]。从表1中可以看出。提高烧结钕性能烧结钕铁硼永磁材料主要用于汽车等领域。当 铁硼永磁材料的剩磁(B，)和最大磁能积已很困难， 前，烧结钕铁硼永磁材料的主要研究课题包括[18]： 而提高其矫顽力还有很大潜力。因此．探索烧结钕1)细化Nd2Fe。4B晶粒以减少多重畴结构的可能尺 铁硼永磁材料的矫顽力形成机理．在保持剩磁不明寸；2)控制Nd2Fe，4B晶粒与富Nd相界面上的微观 显降低的情况下．提高材料的矫顽力仍是当前烧结结构来减小多畴成核位置．即提高界面的各向异性 钕铁硼永磁材料的研究热点和难点。
场强；3)澄清烧结钕铁硼磁体的矫顽力机制，并进目前，实验室解决上述问题的主要途径包括：重行微观结构分析；4)开发汽车工业电机的用途。 万方数据 第27卷第4期胡志华：高性能烧结钕铁硼永磁材料及其新能源汽车驱动电机中的应用一65一磁体的矫顽力温度系数和居里温度分别为一0．355％／℃和3420CE20]。任春德等人通过优化合金成分设计和改进速凝铸带技术等成功实现40EH磁体的批量生产．其磁性能为B，=12．88kOekGs，(BH)m。=40．5MGOe，H。j31．3磁体的剩磁和矫顽力温度系数分别为一0．101％／。C和一0．417％／℃-21；。成分配比技术合金制备I艺速凝铸带技术Hc，／(kAm。)成分偏析控制技术图3多牌号高性能烧结钕铁硼永磁材料的磁性能氢破碎技术 烧结钕铁硼永磁材料的最大磁能积与内禀矫顽力制粉]i艺气流磨技术双合金技术 (H。i)之和已达N70，即(BH)．。(MGOe)+H。。(kOe)≥70低氧控制技术磁场成型I．岂 振动+强磁场取向 今后．高性能烧结钕铁硼永磁材料的磁性能发展目新型防氧化润滑剂 标为双相烧结技术烧结上艺微观结构控制技术(BH)一=50MGOe，H。
=25kOe连续烧结技术 或图4高性能烧结钕铁硼永磁材料的改进工艺技术流程图(BH)～=45MGOe，H。=30kOe(BH)～(MGOe)十Hci(kOe)=75 高性能烧结钕铁硼永磁材料的磁性能最终目标为2驱动电机性能与钕铁硼永磁材料(BH),。=50MGOe，H。。=30kOe性能之间的关系(BH)r。(MGOe)+H。。(kOe)=80近年来．高性能烧结钕铁硼永磁材料的制备工衡量烧结钕铁硼永磁材料在驱动电机中应用 艺和装备都有很大改进和革新．主要包括_197：1)永 的关键因素包括㈦：1)永磁材料的磁性能剩磁、 磁材料的合金成分优化，充分发挥Nd：Fe，4B相的高矫顽力和最大磁能积：2)永磁材料的磁通量、温 饱和磁极化强度(J。)和高磁晶各向异性场(HA)的度稳定性和退磁曲线形状；3)永磁材料的尺寸、 优势．降低轻重稀土元素和取代铁的金属元素的含体积与重量、制造成本等。高的剩磁(B，)使得气隙 量，原材料成本显著降低：2)速凝铸带技术(Strip磁通密度较高，可节约铜绕组用量．降低电机成本： Casting，SC)取代传统的铸锭技术．避免Ot—Fe和团确保电机有较高的转速、较大的输出扭矩和大功 块状富钕相出现；3)采用氢破碎(HD)和气流磨率。
高的磁感矫顽力(H。，)能保证驱动电机输出所 (JM)制粉技术，使其粉末颗粒尺寸分布更加合理，需的磁动势．使电机工作点靠近最大磁能积．充分 用以替代传统的机械破碎制粉技术：4)采用橡皮 利用磁体的能力。高的内禀矫顽力(H。)可保证电 模压、交替脉冲磁场加静磁取向技术和冷等静压技机有较强的抗过载、退磁、老化以及低温能力，使得 术：5)采用低温烧结技术取代传统的高温烧结以 退磁危险降低。最大磁能积(BH)。，越高，表示永磁 便控制精细的显微结构：6)采用控制晶粒边界技 体在电机中实际运行的工作系数越好：可提高电机 术．使晶界具有厚度约为2nm的均匀连续富钕层． 转速、降低电流强度、减少冷却和机械轴承问题。磁 晶界更光滑：7)重视通过控制显微结构来提高其 通量的大小决定电机的工作效率：良好的温度稳定 磁性能．改变过去单纯依赖调整化学成分来提高磁性可使电机工作可靠． 性能的途径。高性能烧结钕铁硼永磁材料的改进工新能源汽车驱动电机对高性能烧结钕铁硼永H 艺技术流程如图4所示。目前．G Yan等人依靠 磁材料的磁性能均匀性及一致性要求较高。磁性能 SC、HD和JM等工艺制备出高性能烧结钕铁硼磁不均匀将导致电机磁场不均匀、转矩波动增大、发 体．其磁性能为电机的输出电压纹波增大、线性度变差、控制电机 万方数据 一66一湖北汽车工业学院学报2013年12月 的精度指标降低等。
因此，驱动电机要求高性能烧宽，其增长速度最快的是在电机(包括电动机与发 结钕铁硼永磁材料磁性能一致性满足误差在5％ 电机)方面的应用，每年大约以20％的速度增长；其 以内。均匀性误差在3％以内C23]。新能源汽车驱动原因是烧结钕铁硼永磁材料的磁性能、温度稳定 电机用高性能烧结钕铁硼永磁材料的内禀矫顽力性、可靠性提高。可用来制造各种用途的电机。永磁UH和35EH 一般为20～30kOe．磁体的牌号为38电机的设计和结构有很大改进。制造的关键技术与 等。日本丰田和本田汽车公司均是将IPM型电机 难题已得到解决。使得永磁电机的效率高、可靠性 用作混合动力汽车的牵引电机．使用的是38UH牌高和节能。今后。汽车和轮船的驱动力都倾向发展 号的磁体．其永磁电机：烧结钕铁硼永磁材料的市场需求量将主MGOe，H。i≥25kOe要由制造电机来带动㈣。(BH)一=36—40 可在180～200oC下工作．发展新能源汽车(油、电混合动力汽车和纯电随着高性能烧结钕铁硼稀土永磁材料的磁性动汽车等)已形成全球共识。其中油、电混合动力汽 能、温度稳定性和耐腐蚀性能的不断提高，稀土永车(HEV)的技术较成熟．各国都已优先发展。
随着 磁驱动电机开发和应用正向着大功率化(高转速、 未来新能源汽车的快速发展．稀土永磁驱动电机将 高转矩)、高功能化和小型化的方向发展。其技术经 迎来一个更为快速发展的时期。其发展趋势将呈现 济性能和动态响应特性有明显改进和提高[24．-26]。新出高功率密度、高转矩密度、高可控性、高效率、高 能源汽车驱动电机设计制造中．保证电机性能和质性能和高价格比等特点．以满足新能源汽车的实际 量的前提下．优化设计可以减少高性能钕铁硼永磁需求。新能源汽车驱动电机的迅速发展要求用于混 材料用量。降低电机成本。高性能钕铁硼永磁材料合动力牵引电机和稀土永磁同步驱动电机的高性 的磁性能提高以后．材料用量也可能下降，达到降能烧结钕铁硼永磁材料具有很高的磁性能、使用温 低电机成本的目的。高性能钕铁硼永磁材料在驱动度和较好的时间、温度稳定性。 电机中的成本占比约为30％．加强技术创新提高新能源汽车迅速发展使得高性能烧结钕铁硼永 材料的磁性能，改善驱动电机性能，以便更好地保磁材料的需求量迅速增加．中国烧结钕铁硼永磁材 证新能源汽车的整车性能。料产量变化如图5所示．预计到2020年全球烧结钕铁硼永磁材料的产量有望增加到13～15万吨(荔]。
国 3高性能烧结钕铁硼永磁材料在驱 内新能源汽车的产销量如图6所示．预计到2020年动电机中的应用全世界混合动力汽车年产量将超过1200万辆．纯电动汽车年产量将超过600万辆。带来9．8万吨，年高烧结钕铁硼永磁材料的应用领域在不断地拓性能烧结钕铁硼永磁材料的需求量例。国务院发布图5中国烧结钕铁硼永磁材料产量变化图6国内新能源汽车的产销量 的《节能与新能源汽车产业发展规划))(2012-2020) 阐明，到2020年，我国纯电动汽车和插电式混合动4 结束语 力汽车生产能力达到200万辆．累计产销量超过 500万辆：保守估计将带来1万吨／年高性能烧结钕新工艺新技术的开发应用使得高性能烧结钕 铁硼永磁材料的需求量。铁硼永磁材料具有较高的剩磁、矫顽力和较好的温 万方数据 第27卷第4期胡志华：高性能烧结钕铁硼永磁材料及其新能源汽车驱动电机中的应用一67一of International17th 度稳定性．工作温度较高．能更好地满足新能源汽microstructure[J]．Proceedingson RareEarthandTheir 车驱动电机的需要。新能源汽车驱动电机的电机性WorkshopMagnets 能参数与高性能烧结钕铁硼永磁材料的磁性能具Applications，2002．1：25—36．KanekoN．Proven 有密切的关系．研究它们之间的关联性对改善电机[13]Y，KuniyoshiF，Ishigaki technologiesonNd-Fe—Bsinteredhigh—performancemagnets[J]J． 性能、降低电机成本和合理选择磁体器件具有重要Allo．ys 意义。
随着未来新能源汽车的发展．高性能烧结钕MatsuuraY．RecentofNd-Fe—Bsintered[14]development 铁硼永磁材料硼永磁材料的需求量将越来越大。andtheirmagnetsMater，2006，303(2)：344—347．NakamuraH．HirotaK．OhashiT，Minowa 参考文献：[15]T．CoereivitydistributioninNd—．Fe—．Bsintered [1]韩永杰，安浩．汽车永磁驱动电机现状及发展趋势[J]．magnetsproducedby上海汽车，2009(6)：38—40．thediffusiongrainboundary 『2]孙玉玲．刘艳，林伟义．电动汽车用永磁同步电机永磁1．44：064003—1—5．Appl．Phys．201Goto体最佳工作点分析fJl．汽车电器，201l(4)：12—16．[16] R，MatsuuraS，TezukaN，UneY，M，Sugimotoevaluationfor Nd—FWB．M．Microstrncture [3]HerbstJ E，CroatJ J，PinkertonE，YelonSagawaDy—freebetween structureandFe—Bsintered withRelationshipscrystalmagneticmagnetshighcoercivity[J]．J．in1l：07A739—1—3．propertiesNd2Fel4B[J]．Phys．Rev．B，1984，29Appl．Phys，2012，1孙绪新，包小倩．高学绪，张茂才，董清飞，周寿增．优(7)：4i76—4178．[17]N，YamamotoH，化边界结构与高性能烧结Nd—Fe—B永磁材料的制备 [4]SagawaM，FujimuraS，TogawaMatsunraY．NewmaterialforonapermanentmagnetsofbaseNdand罗阳．磁材产业的发展近况『J]．新材料产业，2009Fe[J]．J．Appl．Phys，1984，55(6)：[18]2083—2087．(2)：45—49．KSVrare—earthL．Iron—based [5]Narasimhanmagnets[19]周寿增，董清飞．超强永磁体fM]．2版．北京：冶金工业出版社．2004．487—497．[J]．J．Appl．Phys，1985，57(1)：4081-4085．S，YamamotoH，MatsuuraY，YahGH，ChenRY，GuoS，LeeDon，Yan [6]SagawaM，Fujimura[20]J，DingHirosawaS．Nd-Fe-Bmaterials[J]． AR．TheofsinteredNdFeB withpermanentmagnetpreparationmagnetJpn．J．Appl，Phys，1987，26(1)：785-800．andhigh-coereivityhighH． [7]TokunagaH，EndohM，HaradaM，Kogurephys：Conf．Ser．2011．266：012052—1—5．ofthermal ofNd—Dv—Fe—Co—BImprovementstability[21]任舂德．金伟洋，周鸿波．李建忠，宋小明．高综合性能sinteredofandmagnetsbyadditionsA1，Nd Ga[J]．烧结钕铁硼磁体关键制备技术研究『J]．稀有金属，IEEETrans．onMagn，1987，23(5)：2287—2289．2013，37(2)：249—254． [8]OtsukaE，OtsukaT，Imaiand翁兴园．汽车电机中永磁材料的应用及其发展前景T．Processingmagnetic[22]ofsinteredNd-Fe-Bpropertiesmagnets[nProceedings [j]．微特电机，2003(3)：38—42．of1lthonRareInternationalEarthWorkshopMagnets[23]闵琳，权利，莫会成．永磁材料和永磁电机[J]．电气技andTheirApplications，1990，1：328—340．术．2006(7)：14—20． [9]Kaneko N．RecentofY，Ishigaki developmentshigh—唐任远．稀土永磁电机的关键技术与高性能电机开发[24]NEOMAXperformance magnets[J]．J．Mater．Engi[J]．沈阳工业大学学报，2005，27(2)：162—170．Pe血r，1994，3(2)：228—233．
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