為推動電動汽車關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展，服務(wù)于成員單位技術(shù)研發(fā)需求，自成立以來，聯(lián)盟一直持續(xù)開展整車及關(guān)鍵零部件前沿、共性技術(shù)研究工作，形成了大批研究成果，推動了電動汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和進步。2023聯(lián)盟共立項共性技術(shù)課題22項，為推動課題交流和成果共享，聯(lián)盟將持續(xù)發(fā)布在研課題研究進展和成果，最大化發(fā)揮課題研究價值。

高性能驅(qū)動電機及關(guān)鍵材料技術(shù)—金屬橡膠鐵芯

01、研究目的

“高性能驅(qū)動電機及關(guān)鍵材料技術(shù)——金屬橡膠鐵芯”課題由內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)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(shè)計與加工；利用電磁仿真和實驗測試相結(jié)合的手段，研究金屬橡膠鐵芯及其電機樣機電磁學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等性能。課題的相關(guān)成果為“金屬橡膠鐵芯高性能驅(qū)動電機”未來可預(yù)期的工程化應(yīng)用，提供了技術(shù)支持與可行性依據(jù)。

02、研究進展與階段性成果

Peano分形曲線軌跡與金屬橡膠內(nèi)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(xiàn)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(guān)制備參數(shù)，用于建立金屬橡膠參數(shù)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(xué)、電磁學(xué)等性能的有限元分析，如圖2、3所示。

圖1 螺旋卷中心線結(jié)構(gòu)的Peano算法及基于分形的金屬橡膠3D建模流程

圖2 金屬橡膠成型數(shù)值力學(xué)模擬過程

圖3 磁場垂直方向金屬橡膠內(nèi)部磁場變化圖

（二）金屬橡膠鐵芯制備與電機樣機設(shè)計與加工

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(fù)合材料、金屬纖維燒結(jié)、晶格結(jié)構(gòu)和編制絲，金屬橡膠的優(yōu)勢在于可以通過相對簡單的制造工藝鏈、較低的成本生產(chǎn)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 金屬橡膠構(gòu)件制備生產(chǎn)設(shè)備及一般工藝流程

圖5給出了金屬橡膠構(gòu)件制備的典型關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)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(gòu)件（設(shè)計模具、成型壓力）；將成型構(gòu)件后處理，如回火、電流燒結(jié)、去（加）磁、硫化、鍍鋅等等。

圖6 測試設(shè)備與樣機

（三）金屬橡膠鐵芯的電磁分析

如圖7所示假設(shè)金屬橡膠內(nèi)部為均勻結(jié)構(gòu)且分層疊加方便分析計算，磁場經(jīng)過金屬橡膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，其內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)的排列，會讓大渦流變?yōu)樾u流，螺旋結(jié)構(gòu)之間會產(chǎn)生對抗場，最后穿過多孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生另一面的非均勻磁通密度，鐵芯產(chǎn)生的損耗以熱量的方式表現(xiàn)。

圖7 金屬橡膠磁場傳播過程示意圖

圖8 磁感應(yīng)強度分布

頻率為100Hz，時間為20ms時三個仿真模型的磁感應(yīng)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(yīng)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(yīng)外加磁場，從而提高磁化效率，導(dǎo)致磁感應(yīng)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(jié)構(gòu)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(xiàn)為磁感應(yīng)強度增加。

圖9 仿真結(jié)構(gòu)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(xiàn)象類似于電場中電場線在尖端或狹小區(qū)域集中，磁場也會傾向于在孔隙周圍的磁性區(qū)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(dǎo)致磁感應(yīng)強度增大。

圖10 金屬橡膠鐵芯模型不同頻率時鐵損變化

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(xiàn)象，導(dǎo)致表面的磁感應(yīng)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(qū)域，導(dǎo)致表面磁感應(yīng)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。

（四）金屬橡膠鐵芯的力學(xué)分析

為了研究金屬橡膠相對密度對力學(xué)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(jié)構(gòu)參數(shù)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(tài)壓縮實驗。每次加載結(jié)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(fù)到自由狀態(tài)。為確保實驗的準確性和穩(wěn)定性，每次實驗重復(fù)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(fā)生在下部的高密度金屬橡膠鐵芯。

表1 金屬橡膠緩沖圓環(huán)參數(shù)

Tab.4-3 MR buffer ring parameters

根據(jù)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(tài)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(nèi)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(dǎo)致硬特性效果越明顯。

通過將實驗結(jié)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(fā)現(xiàn)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(nèi)金屬橡膠鐵芯力位移曲線之間，表明在力學(xué)性能方面，該相對密度范圍內(nèi)存在可以替換該型號金屬橡膠鐵芯，為設(shè)計和優(yōu)化電機鐵芯性能提供了參考。

在實際工程應(yīng)用中，當電機運行時會產(chǎn)生振動，這種持續(xù)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(guī)律，本課題做了循環(huán)加載實驗來研究金屬橡膠鐵芯試件承受循環(huán)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(huán)加載實驗，其實驗結(jié)果如圖11所示。

表4-5 各實驗組的擬合系數(shù)

為了更好的觀察不同相對密度下金屬橡膠鐵芯的力學(xué)性能，將四組真實應(yīng)力應(yīng)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(yù)測模型，如圖12b所示。

圖12 金屬橡膠鐵芯真實應(yīng)力應(yīng)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(chǎn)生了異常的凸起或凹陷。這可能是因為實驗數(shù)據(jù)較少，且相對密度與之間的取值相對較大導(dǎo)致的。

圖13 不同循環(huán)加載次數(shù)的力-位移曲線

從圖13可以發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)加載次數(shù)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(huán)面積隨迭代次數(shù)的變化如表2所示。

表2 金屬橡膠鐵芯試件不同循環(huán)加載次數(shù)的遲滯面積

從表格可以看出，隨著循環(huán)加載次數(shù)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(huán)加載次數(shù)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。

（五）金屬橡膠鐵芯的熱學(xué)分析

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(wěn)定運轉(zhuǎn)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

圖15 三種鐵芯在不同頻率下的溫度變化

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(zhuǎn)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。

03、下一步工作計劃