2023年3月3日，埃安發布全新一代高性能集成電驅技術“夸克電驅”，2024年8月23日，夸克電驅2.0在銳湃動力科技公司量產下線，以非晶合金量產為核心突破，驅動電機最高效率98.5%，最高轉速30000rpm，功率密度13kW/kg。非晶合金作為一種新型軟磁材料，一次又一次得到了更多關注。

 

中國汽車工程學會（簡稱中汽學會）和電動汽車產業技術創新戰略聯盟（簡稱電動汽車聯盟）長期致力于關鍵材料、零部件和整車的前瞻技術研究、共性技術攻關，“新型軟磁材料技術進步促進驅動電機性能大幅提升”入選中汽學會2022年度10大前沿技術。非晶尤其是納米晶具有高飽和磁感、低損耗等特性，符合新能源汽車輕量化、低能耗的發展要求，其在驅動電機上的應用也已引起特別關注。電動汽車聯盟于2023年11月23日召開了《非晶納米晶軟磁材料和器件在電動汽車上的應用技術研討會》，于2024年8月20-21日召開了《軟磁材料和器件在電動汽車上的應用技術培訓研討會》，兩次會議得到了中信金屬股份有限公司和安泰科技股份有限公司的大力支持，以下內容有引用演講嘉賓報告和整理公開信息。

 

一、常用軟磁材料分類和應用

軟磁材料是電力電子、信息電子等產業的基礎材料之一，具有磁電轉換的特殊功能，廣泛應用于電能變換、抗電磁干擾、無線充電、近場通訊等領域，在新能源汽車、新能源發電、消費電子、工業電子、通訊、云端服務、計算機以及航空航天等行業有著大量應用。

圖1 常用軟磁材料

軟磁鐵氧體仍為當前規模最大的軟磁材料，是以Fe2O3為主成分的亞鐵磁性氧化物，根據配方差異可分為錳鋅、鎳鋅等多種類別。性能上可分為功率軟磁鐵氧體材料（用于能量轉換/模電范圍）和高磁導率軟磁鐵氧體材料（用于電磁兼容、信號傳輸/數電范圍）。

硅鋼片按生產工藝分為熱軋硅鋼和冷軋硅鋼，冷軋硅鋼分為冷軋無取向硅鋼和冷軋取向硅鋼，是制造發電機、電動機和變壓器鐵芯的主要材料。

金屬合金軟磁粉是指含有鐵、硅及其他多種金屬或非金屬元素的粉末，包括鐵硅磁粉、鐵硅鋁合金磁粉和鐵硅鉻磁粉、鐵鎳磁粉等。金屬合金軟磁粉可進一步加工為磁芯，主要用于制作功率電感元件。

非晶合金種類主要包含鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金。納米晶超薄帶具有高飽和磁度、低矯頑力、高初始磁導、高居里溫度率等優勢，綜合軟磁性能優于鐵氧體，可縮小磁性器件體積、降低磁性器件損耗、提高效率，可用于共模電感、電子變壓器等領域。

表1 常用軟磁材料對比

 

 

二、常用磁性器件分類和應用

磁性器件是以法拉第電磁感應定律為原理，由磁芯、導線、基座等組件構成，實現電能和磁能相互轉換的電子元器件，是屬于電子元器件行業領域的重要分支。主要包括電子變壓器、電感器等。變壓器是利用電磁感應來實現交流電壓升降或阻抗變換功能的電子元件，由鐵芯（或磁芯）和線圈組成。電感器可以將電能以磁性的形式存儲的被動電子元件，是電子電路中的基礎無源元件之一，分為傳統插裝式電感器及片式電感器。

非晶合金在配電變壓器、電抗器（高頻）等已成功應用，納米晶合金在高頻變壓器、電流互感器、共模電感等已成功應用，非晶和納米晶在電機上的應用仍在探索之中。

圖2 常用磁性器件

軟磁材料和器件除了在傳統部件如整車控制器VCU、車身 EMI、低頻天線、組合儀表、抬頭顯示器、智能內后視鏡、電子時鐘、顯示屏，以及一些控制器、傳感器、攝像頭等應用之外，在直流充電樁、車載充電機OBC、車載DC/DC變換器、高壓配電盒PDU、驅動電機系統等新能源汽車新增部件大量應用。

圖3 軟磁材料和器件在新能源汽車新增部件大量應用

新能源汽車集成了大量軟磁器件，例如EMI濾波器中的共模和差模電感，PFC電路中的PFC電感，DC/DC電路中的諧振電感、高頻變壓器、DC濾波電感等，正在向高頻化和大功率方向發展。

圖4 軟磁材料和器件在新能源汽車高壓電路大量應用

 

三 非晶軟磁合金發展歷程和市場情況

從1960年美國Duwez教授發明用快淬工藝制備非晶態合金開始，非晶軟磁合金的發展大體上經歷了兩個階段：第一個階段到1988年，1984年美國四個變壓器廠家在IEEE會議上展示實用非晶配電變壓器則標志著第一階段達到高潮，1989年美國Allied Signal公司已經具有年產2.5萬噸非晶帶材的生產能力，全世界約有100萬臺非晶配電變壓器投入運行，所用鐵基非晶帶材幾乎全部來源于該公司。從1988年開始，非晶態材料發展進入第二階段，標志性事件是日本日立金屬公司的Yashiwa等人在非晶合金基礎上通過晶化處理開發出納米晶軟磁合金（Finemet），當年日立金屬公司納米晶合金實現了產業化。

圖5 國外非晶軟磁合金發展歷程

國內非晶材料研究始于1975年，國家科委從“六五”開始連續5個五年計劃均將非晶、納米晶合金研究開發和產業化列入重大科技攻關項目。其中標志性的成果分別是：“七五”期間建成百噸級非晶帶材中試生產線，帶材寬度達到100mm；“八五”期間突破了非晶帶材在線自動卷取技術，并建成年產20萬只非晶鐵心中試生產線；“九五”期間，成立了國家非晶微晶合金工程技術研究中心，建成了千噸級非晶帶材生產線，帶材寬度達到220mm，同時建成年產600t非晶配電變壓器鐵心生產線。通過前4個五年科技攻關計劃的實施，我國基本實現了非晶合金帶材及制品產業化。根據 2021年中國鋼鐵工業協會和金屬學會“冶金科學技術獎評選結果”，國內由安泰科技、青島云路等 6 家單位共同完成的“寬幅超薄鐵基納米晶帶材工程化技術開發及應用”項目已取得成功，新開發的超薄納米晶帶材連續化生產裝備及制造工藝，填補了國內技術空白。

圖6 國內非晶軟磁合金發展歷程（鋼鐵研究總院—中國鋼研集團—安泰科技）

國內外非晶帶材的產量在2015年達到一個高峰，2016年后國產非晶帶材產量激增；隨后，隨著電網用配電變壓器招標數量降低，非晶帶材連續幾年減量；2021年下半年開始，由于取向硅鋼價格上漲、立體卷變壓器的推廣，非晶帶材的需求逐漸回暖，市場拉動產量逐漸恢復，未來增長趨勢還在繼續。目前日立金屬在全球處于領先地位，國內主要企業包括安泰科技、云路股份、中研非晶、兆晶科技、江蘇國能、河南中岳等。

圖7 全球非晶帶材產量

 

四 非晶軟磁合金材料特性、制備工藝和應用情況

非晶合金又稱“液態金屬或金屬玻璃”，其主要制品非晶合金薄帶是采用急速冷卻技術將合金熔液以每秒百萬度的速度快速冷卻，得到厚度約0.03mm的非晶合金薄帶，其物理狀態表現為金屬原子呈長程無序的非晶體排列。得益于上述極端生產工藝形成的特殊原子結構，使得非晶合金相較于傳統材料硅鋼具有低矯頑力、高磁導率、高電阻率等良好的性能。

圖8 非晶合金材料特性

 

除了非晶帶材，目前非晶合金還有粉末、絲材、塊體、涂層等其他產品形態。

圖9 非晶合金產品形態

非晶帶材平面流鑄工藝采用急冷凝固技術，就是將母合金融化后，通過噴嘴包噴射在一個高速旋轉的冷卻輥上，瞬間冷卻形成像紙一樣薄薄的帶子。有幾個特點：1、冷卻速度快：液態合金的溫度基本在1400-1500℃，瞬間凝固到接近室溫，冷卻速度達到了每秒百萬度的級別；2、噴帶速度快：30m/s好比一顆子彈剛剛飛出去的速度，而要把接近子彈速度的物體抓住是非常困難的；3、厚度?。簢姵鰩Р牡暮穸?0-30μm，精度控制主要通過噴嘴包下面的狹縫及輥嘴間距的設計來實現。

圖10 平面流鑄工藝與裝備

 

非晶合金種類主要包含鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金。鐵基非晶合金廣泛應用于節能配電變壓器；鐵鎳基非晶合金應用范圍與鎳坡莫合金對應，但其在能量損耗和機械強度方面更加優越，應用于漏電開關、磁屏蔽等，鈷基非晶合金在非晶合金中具有最高的磁導率，且具有優異的耐磨性和耐蝕性，應用于要求嚴格的軍工電源中的變壓器、電感等，可替代坡莫合金、鐵氧體等。鐵基非晶材料典型應用場景如下圖所示。

圖11 鐵基非晶材料典型應用場景

 

五 鐵基非合金在驅動電機上的應用

定轉子鐵心材料是決定驅動電機性能的關鍵，目前量產的驅動電機基本采用高牌號無取向硅鋼進行功率能量轉化。我國無取向硅鋼主要以低牌號為主，未來新能源車驅動電機、大型電機以及節能電機趨勢下，高牌號無取向硅鋼需求有望持續增長。我國從大批量使用0.35mm材料逐步轉為0.27-0.30mm產品，個別批量使用0.20mm和0.25mm產品。

高性能鐵心材料有多種技術路線，包括：6.5%Si高硅鋼（又名超級硅鋼）、鈷鐵合金、鎳鐵合金、非晶材料等。在1kHz，1T條件下，鐵基非晶單位損耗僅為傳統硅鋼的1/10，非晶定子電機的鐵耗較硅鋼電機降低50%-70%以上，適應于新能源汽車主驅電機的高頻高速高效化發展趨勢。

目前，非晶材料飽和磁感低于無取向硅鋼，非晶電機峰值轉矩和電機體積較硅鋼電機仍有差距，電機設計和材料性能需進一步提升優化。另外，非晶定子加工技術仍是產業化技術瓶頸，多層非晶帶材復合粘接技術、針對超薄超硬材料的沖壓技術有望突破。

圖12 非晶合金和硅鋼片性能對比

 

根據夸克電驅發布數據，其采用非晶合金飽和磁感1.65T，鐵芯鐵損P1.0/400達到5.7W/kg，帶材寬度232mm。定子量產沖壓節拍180次/min，量產模具壽命10萬臺，量產一致性合格率93%。后續中汽學會和電動汽車聯盟將持續關注。