為推動電動汽車關鍵共性技術發展，服務于成員單位技術研發需求，自成立以來，聯盟一直持續開展整車及關鍵零部件前沿、共性技術研究工作，形成了大批研究成果，推動了電動汽車產業技術創新和進步。2023聯盟共立項共性技術課題22項，為推動課題交流和成果共享，聯盟將持續發布在研課題研究進展和成果，最大化發揮課題研究價值。
“高性能驅動電機及關鍵材料技術——金屬橡膠鐵芯”課題由內蒙古工業大學郝慧榮教授承擔，面向新能源汽車電機效率提升和輕量化目標，率先提出采用金屬橡膠替換電機鐵芯。課題基于分形算法，給出了快速金屬橡膠鐵芯幾何3D建模方法；完成金屬橡膠鐵芯制備，與電機樣機設計與加工；利用電磁仿真和實驗測試相結合的手段，研究金屬橡膠鐵芯及其電機樣機電磁學、力學、熱學等性能。課題的相關成果為“金屬橡膠鐵芯高性能驅動電機”未來可預期的工程化應用，提供了技術支持與可行性依據。
Peano分形曲線軌跡與金屬橡膠內部金屬絲螺旋卷中心線的編織纏繞路徑近似。課題基于分形算法，給出了快速金屬橡膠鐵芯幾何3D建模方法：通過對Peano曲線的橫縱坐標進行比例縮放實現螺旋卷纏繞角度的表征；改進曲線生成路徑模擬實際制備工藝中的螺旋卷編織纏繞路徑；引入相關制備參數，用于建立金屬橡膠參數化模型，如圖1所示。所建的金屬橡膠3D模型可用于金屬橡膠力學、電磁學等性能的有限元分析，如圖2、3所示。
圖1 螺旋卷中心線結構的Peano算法及基于分形的金屬橡膠3D建模流程
圖3 磁場垂直方向金屬橡膠內部磁場變化圖
金屬橡膠材料作為一種新型多孔材料，相比于其它幾種金屬多孔材料，如金屬泡沫、金屬基納米復合材料、金屬纖維燒結、晶格結構和編制絲，金屬橡膠的優勢在于可以通過相對簡單的制造工藝鏈、較低的成本生產制備。其制備過程一般包括：金屬絲材的選擇（牌號和直徑）、螺旋卷制備以及定螺距拉伸、采用螺旋卷的編織或纏繞制作毛坯、冷沖壓成型以及后處理，其制備工藝流程圖4所示。
圖4 金屬橡膠制備工藝流程
圖5給出了金屬橡膠構件制備的典型關鍵生產設備，包括制備螺旋卷的卷絲機、毛坯纏繞機、成型沖壓機。它的制造工藝可分為以下步驟：選用細金屬絲（選擇材料牌號、絲徑）；
金屬絲用纏繞制成螺旋卷（選擇螺旋卷直徑）；將金屬絲螺旋卷制備沖壓毛坯（選擇某種編織工藝）；將毛坯沖壓形成幾何形狀、尺寸一定的構件（設計模具、成型壓力）；將成型構件后處理，如回火、電流燒結、去（加）磁、硫化、鍍鋅等等。
如圖7所示假設金屬橡膠內部為均勻結構且分層疊加方便分析計算，磁場經過金屬橡膠內部結構時，其內部的多孔結構的排列，會讓大渦流變為小渦流，螺旋結構之間會產生對抗場，最后穿過多孔結構產生另一面的非均勻磁通密度，鐵芯產生的損耗以熱量的方式表現。
頻率為100Hz，時間為20ms時三個仿真模型的磁感應強度分布，η為螺旋卷水平方向與載荷方向的夾角。在η為15°的模型，整體磁感應強度明顯高于其他兩個模型，螺旋卷與載荷方向的夾角越小，孔隙越小，相對密度越大。隨著相對密度的增大，磁疇重新排列的阻力減少，磁疇可以更容易地響應外加磁場，從而提高磁化效率，導致磁感應強度隨之增大，與相對η為30°時相比提升0.000044T，與相對η為45°時相比提升0.000119T。在多孔結構中，這種渦流的增加會因材料的絕緣性和幾何形狀而有所緩解，因此整體上仍表現為磁感應強度增加。
圖9 仿真結構表面場強分布
從上圖中得出多孔材料由于其孔隙的存在，磁通會在材料的表面和孔隙周圍集中。這種現象類似于電場中電場線在尖端或狹小區域集中，磁場也會傾向于在孔隙周圍的磁性區域集中。這使得在相對密度大的多孔材料中，材料表面的磁通密度增大，從而導致磁感應強度增大。
從圖10得出在相對密度大的多孔材料中，孔隙率低，孔隙較少，但仍有少量孔隙存在，這些孔隙會造成磁通在材料表面集中的現象，導致表面的磁感應強度增大。而在固體材料中，磁場均勻分布，磁通并不會集中在某一區域，導致表面磁感應強度相對較小。隨著勵磁電流頻率增加，磁通密度和磁場強度均增大且變化趨勢接近。
為了研究金屬橡膠相對密度對力學性能的影響，本研究以兩大一小為一組，選擇作為鐵絲制備金屬橡膠的材料，采用控制變量法，在保持絲材、絲徑及外形尺寸等結構參數不變的條件下，試制了如表1所示的4組相對密度不同的金屬橡膠鐵芯，并進行準靜態壓縮實驗。每次加載結束后卸載載荷，靜置5分鐘，以確保金屬橡膠鐵芯中的金屬絲恢復到自由狀態。為確保實驗的準確性和穩定性，每次實驗重復測試3次，并取平均值。由于實驗是通過在中間的連接板上施加向下的載荷，因此主要變形發生在下部的高密度金屬橡膠鐵芯。
表1 金屬橡膠緩沖圓環參數
Tab.4-3 MR buffer ring parameters
根據圖11a所示的為四組不同相對密度的金屬橡膠鐵芯在準靜態壓縮實驗測量的力-位移曲線，可以觀察到：金屬橡膠鐵芯隨相對密度的增加，力-位移曲線逐漸向剛度增大的方向偏移，非線性彈性模量增加。在相同載荷條件下，相對密度越大，金屬橡膠的硬特性越明顯。這是由于相對密度越大，內部金屬絲之間的孔隙越小，其自由活動的空間就越小，金屬絲之間的擠壓越明顯，導致硬特性效果越明顯。
通過將實驗結果與金屬橡膠鐵芯的軸向壓縮曲線對比，如圖11b所示，可以發現金屬橡膠鐵芯的力位移曲線處于相對密度在2.5 ~ 4g·cm-3范圍內金屬橡膠鐵芯力位移曲線之間，表明在力學性能方面，該相對密度范圍內存在可以替換該型號金屬橡膠鐵芯，為設計和優化電機鐵芯性能提供了參考。
在實際工程應用中，當電機運行時會產生振動，這種持續的振動會影響電機的使用壽命。因此，為了觀察金屬橡膠鐵芯隨工作時間延長的衰減規律，本課題做了循環加載實驗來研究金屬橡膠鐵芯試件承受循環載荷時的耗能情況。選用相對密度為2.5g·cm-3的金屬橡膠鐵芯分別進行1萬、2萬、4萬次的循環加載實驗，其實驗結果如圖11所示。
為了更好的觀察不同相對密度下金屬橡膠鐵芯的力學性能，將四組真實應力應變曲線引入三維坐標系，并選用相對密度作為其中的一個坐標軸，如圖12a所示。并使用Griddata插值方法進行曲面擬合，建立預測模型，如圖12b所示。
圖12 金屬橡膠鐵芯真實應力應變曲線
從圖12b中可以看出，直接對四組實驗組曲線進行曲面擬合產生了異常的凸起或凹陷。這可能是因為實驗數據較少，且相對密度與之間的取值相對較大導致的。
圖13 不同循環加載次數的力-位移曲線
從圖13可以發現，隨著循環加載次數增加，金屬橡膠鐵芯更早的進入軟特性階段，并且加載曲線和卸載曲線所圍成的面積逐漸減小，其循環面積隨迭代次數的變化如表2所示。
從表格可以看出，隨著循環加載次數的增加，金屬橡膠鐵芯的遲滯曲線所圍成的面積衰減得很快，這表明金屬橡膠鐵芯的減振性能隨著循環加載次數的增加而降低。到4萬次的時的加載和卸載曲線基本重合，此時可以認為金屬橡膠鐵芯不再具備減振性能，處于失效模式。
制成三種同體積，相對密度不同的金屬橡膠鐵芯，分別為C1：3.39g/cm3，82.13g；C2：3.39g/cm3，86.25g；C3：3.39g/cm3，96.67g。通過程控變頻電源和紅外測試儀測試電機穩定運轉時鐵芯的損耗和溫度變化。
圖 14 C1(a)、C2(b)和C3(c)在0-400Hz下的鐵芯表面的溫度變化
如圖14和圖15所示金屬橡膠鐵芯隨著相對密度的增大，孔隙率也降低，其熱量主要通過孔隙傳播，在電機運轉過程中，鐵芯的損耗主要通過熱量的形式消失。隨著相對密度的增加其表面溫度很難通過孔隙傳播到另一面，所以其溫度隨著相對密度的增加不斷的下降。
