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、納米晶軟磁合金市場情況

1988年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（Fe-Cu-Nb-Si-B），當年日立金屬公司納米晶合金實現了產業化。2023年1月4日起日立金屬改名為“博邁立鋮（Proterial）”，目前商用化牌號Finemet系列產量最大，應用最為廣泛。

納米晶磁芯是以納米晶帶材為原材料，經過卷繞、退火、含浸、切割等工藝制成。根據QYResearch調研報告顯示，2022年全球納米晶磁芯市場銷售額達到4.35億美元，預計2029年將達到9.25億美元，年復合增長率（CAGR）12.22%（2023-2029）。2022年，全球第一梯隊廠商博邁立鋮的市場份額約39%；第二梯隊的安泰科技、德國VAC、佛山中研磁電、朗峰新材料、安徽智磁新材料等共占有約30%份額。

圖1 全球納米晶磁芯市場規模

2014年以前，國內納米晶帶材基本以重力噴帶為主，產量增長趨勢不明顯，2014年以后，納米晶薄帶需求增加，行業內新建壓力噴帶機組增加，在市場拉動下產量迅速增長，2021年突破25000噸，2023年預計小幅增長，未來增長趨勢還在繼續。

圖2 國內納米晶合金產量及增長趨勢

 

二、納米晶軟磁合金材料特性、制備工藝和應用情況

在Fe-Si-B系非晶態合金基礎上，通過添加少量的Cu和Nb，可以獲得Fe-Cu-Nb-Si-B合金，其中鈮元素是納米晶軟磁材料的關鍵元素。首先通過快速凝固工藝制備出非晶態合金（前驅體），再通過磁場、張力等多種熱處理工藝，在形核元素Cu和抑制晶粒長大的Nb元素共同作用下，合金的非晶態原子結構即可轉化為晶粒尺寸小于20納米的雙相多晶結構。

圖3 納米晶軟磁合金制備工藝

博邁立鋮的FINEMET兼備了高飽和磁感、低損耗和高磁導率特性，表現出優異的綜合軟磁性能，尤其高頻性能突出，因此分別替代坡莫合金（Permalloy）應用于要求高磁導率的電流互感器（CT），以及替代鐵氧體（MnZn）應用于要求低損耗的高頻變壓器（TR）和高磁導率的共模電感（CM）等，獲得了快速發展。安泰科技為國內納米晶帶材龍頭企業，其鐵基納米晶帶材寬度2-150mm，厚度10-26μm，飽和磁感1.25-1.44T，頻率范圍16kHz-100MHz。

納米晶帶材主要用于制作精密電流互感器、高頻功率變壓器、導磁片、高端共模電感等產品。

圖4 鐵基納米晶材料應用場景和性能需求

從納米晶帶材到最終濾波器生產過程如下圖所示。

圖5 納米晶帶材到濾波器生產過程

 

三、納米晶軟磁器件在新能源汽車上的應用

軟磁器件在車載充電機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，主要作用是實現濾波、儲能、變壓、測量和抗干擾等功能，對磁性材料的要求是寬頻特性好，以滿足電驅動高低頻需求；損耗低，以延長續航里程；高居里溫度，以提高溫度穩定性；共模高阻抗特性，以滿足高頻化智能化的EMC苛刻需求。

在EMC方面，以電機驅動系統為例，功率器件快速通斷與PWM調制是電磁干擾（共模+差模）產生的源頭，通過線束、線束間的耦合向四周傳輸。需要采用濾波器抑制與有用信號頻率不同的干擾，顯著減小干擾電平，從而提高接收設備的信噪比。du/dt和di/dt引起的噪聲在路徑中傳播產生的共模干擾是電機驅動系統EMI問題的難點所在。

圖6 軟磁器件在電機驅動系統EMI濾波器的應用

電驅動系統的高壓化、高開關速度、高集成化趨勢明顯，給電磁兼容和電磁安全帶來嚴峻挑戰，對共模濾波電感的寬頻、高阻抗特性要求提高。

圖7 高壓高速高集成電驅動系統帶來電磁兼容和電磁安全挑戰

800V電驅系統電腐蝕風險激增，對共模濾波電感抗直流偏置性能提出更高要求。但直流濾波器對軸承共模電壓抑制作用有限，部分廠家已經通過增加三相磁環來抑制軸電流，當前三相磁環主流材料為納米晶合金。與鐵氧體相比，在低于50kHz時，在具有更低損耗的基礎上具有高2至3倍的工作磁感，磁芯體積可小一倍以上。

圖8 軸承電腐蝕產生機理和納米晶磁環應用

 

四、納米晶軟磁合金發展趨勢

由于寬禁帶半導體開關器件的進步，電力電子技術向正在向更高頻率更大功率方向發展，被動元件（電感和變壓器）的成本和體積重量在電力電子設備中所占比重越來越大。納米晶基礎材料的發展趨勢是制造超寬超薄納米晶帶材，性能發展趨勢是進一步提高飽和磁感、降低材料損耗、磁導率可調以滿足不同應用等。

納米晶帶材越薄，截止頻率越高，有利于寬頻阻抗特性；帶材越薄，高頻損耗越低，有利于提高效率。因此，具備納米晶超薄帶生產技術的公司代表了行業的高水平，但對納米晶制備工藝和裝備水平提出更高要求。另外，連續化生產可輥剪的超寬＞120mm納米晶帶材可實現材料低成本制造，提高綜合性價比。

圖9 納米晶帶材輕薄化發展

 

PROTERIAL在FINEMET^®早期牌號FT-3KM和FT-3KL基礎上進一步開發了高頻阻抗特性優異的FT-3K50T和抗直流偏置特性增強的低磁導率FT-8K50D。重點應對高頻EMI抑制和大電或直流偏置飽和問題，顯著提高了共模產品的性能，并減小了體積。

表1 FINEMET^®和錳鋅鐵氧體之間的磁性能和物理性能對比

 

PROTERIAL專門開發了具有適中的磁導率（～10000）和極低高頻損耗的FT-3TL，適用于中頻或高頻變壓器。

圖10 不同磁環損耗-頻率曲線

目前博邁立鋮、德國VAC、安泰科技等頭部企業已經開發了低磁導率納米晶合金，但其中含有貴重金屬元素，成本有所增加，并且磁導率不低于2000，雖然可以滿足共模電感抗飽和的要求，還無法應用于功率電感，目前更低磁導率的納米晶產品鮮有上市。

金玻新材料技術有限公司開發了一種卷對卷連續化生產納米晶磁芯的專利技術（RTRJS），磁芯的磁導率可以在很大范圍任意定制，單磁芯的磁導率可以徑向調制。根據磁導率大小和應用分為3個型號（L/M/H）,替代不同材料、滿足不同應用。

圖11 L/M/H 3個型號納米晶磁芯

 

中低磁導率納米晶磁芯具有優異的高頻阻抗特性，適用于共模電感。低磁導率納米晶磁芯具有優異的抗直流偏置性能，適用于功率電感。并且JMµ和JLµ系類磁芯的磁導率可以在很大范圍內任意定制，可以滿足大電流或DC偏置情況下的應用要求。

 

 

第三十一屆中國汽車工程學會年會暨展覽會（SAECCE 2024）定于2024年11月11-14日在重慶市·西部（重慶）科學城科學會堂召開。先進軟磁材料應用技術作為其中一個專題論壇，將聚焦非晶、納米晶等先進軟磁材料和器件，探討其在解決EMI和軸承電腐蝕技術路線和發展趨勢。敬請關注！