“超级铜线路线图背后的黑科技

作者：爱游戏app下载  时间:2024-08-11 11:05:14

  在美国DOE主导的2025技术路线图中，为提高电机效能，点到了各种创新技术，其中提到了橡树岭公司正在开发的“超级铜线”技术。这种技术的基础原理是，在铜材料上附着一种碳纳米管材料，这样一种材料类似于石墨烯。它的， 热传导效率10倍于铜，强度是铜的300倍，重量仅 铜的1/4~1/6 。

  橡树岭公司通过沉积技术，将 CNT材料附着在铜薄膜上。通过热处理--最后形成通过铜-CNT的复合材料。

  这种超级铜线的材料会给电机设计带来革命性的突破。电阻的大幅度下降会带来铜耗的直接降低， 无论是低速大转矩工况，还是高速弱磁工况都会受益，效率全方面提升。电流容量和导热能力的提升会提高电密和热负荷的选择上限， 带来定子的体积的减小 转矩和功率密度上升。强度的提高，会给自动绕线带来极大工艺方便（自动绕线的拉力较大，会导致铜线被拉细长，实际电阻增大）。

  超级铜线不仅电机有利，也能应用到变频器中，提高变频效率，也能应用到电网输配电上，带来电损的降低。

  碳纳米管简称CNTs，下图就是这样一种材料的庐山真面目。每个节点代表一个碳原子，有两种CNT分子结构，一种是单壁CNT材料，这种结构性能最好，还有双壁和多壁结构，这类结构制造相对容易，但性能略差。

  虽然CNT材料性能极好，但其分子结构长度很短，而且分子之间结合力很差，不能单独构成工程材料，必须附加在铜基材料之上。下图就是一种方法制作而成的复合材料，在电子纤维镜下，发现少量的CNT附着在铜上，可见这样一种材料的复合度是较低的。

  复合之后材料的性能是介于铜和CNT材料之间的，按直觉可知CNT材料复合的多，复合材料的性能就会越佳，但这种复合率和材料性能都是有极限的。吴军在谷歌方法论中阐述过：工程师需要理解技术的极限的道理，越往极限走，就越困难，理解到这种极限，我们就会在边界里有度的做事情。那么这种超级铜线性能的极限是多少呢？在2004年首次提出“超级铜线”概念的发明者---Hjortstam教授通过理论计算出，材料复合率和电阻率的关系，发现随着CNT材料复合比例的增加（下图横坐标），电阻率曾下降趋势，但这种趋势会趋于平缓和饱和，另一方面工艺难度也会随着复合率的提高而几何级数的增加。因此Hjortstam 划出了一条工程界线%纯铜电阻率线。这条界限对应的复合率大约是30~40%，我们就在这个界限内评估材料的工程意义。

  50%的电阻率，意味着电阻下降一半。以标准IE4高效感应电机为例，铜耗约占了所有损耗的30~50%，一半的电阻也就意味损耗减少15~25%，大概能提高电机一个能效等级，达到IE5。如果是永磁同步电机，铜耗所占的比例更大，能提高2个能效等级。

  Hjortstam教授的研究还指出了另外一个问题，那就是单向平行排列的CNT材料比随机排列的CNT材料的导电能力更佳，朝一个方面排列有点像磁畴的单方向磁化，使材料呈现各向异性。

  显然这种技术的关键是如何尽可能利用CNT材料，提高复合材料的性能。实现这样的一个过程的重点是复合材料的成型工艺，通过前期的探索，科学家们发现，核心的问题是三个：

  为了解决这三个问题，目前前已开发出了许多制造成型方法，但是能达到了130%标准铜电导率的方法都无法批量制造，只能在实验室里生产少量样品。下面介绍几种常用的工艺方法：

  是一种通过电化学沉积技术，将悬浮液中的CNT材料 吸附在阴极的Cu金属基板上。目前该技术能达到141%标准铜电导率的水平。

  在该领域初步实现产品化的是Central Florida大学，他们通过电化学技术生产超级铜板，下图为他们的大规模生产过程。

  Nano Ridge 材料公司更关注该产品的商业价值：他们基于电解技术开发出的CNT复合材料产品叫TeraCoppe ，该产品的单位面积的最大电密达的56A/mm^2 是纯铜的1.44倍。

  这种方法的优点是，CNT材料的复合率较高，能够达到较高的性能。 缺点也很明显，但这种电解生成的材料排列不规则，不完全是平行排布。而且电解效率虽然会随着电流的增加和提高，但很快会达到饱和，生产效率低，耗电大，为扩大规模需要很大的场地。

  铸造方法的原理很简单，如下图所示 将CNT原材料置入压缩实，和铜液在高压环境充分混合后， 混合液在活塞的驱动下，经过“门”进入冷却室冷却成型。

  工艺核心的问题是，如何实现从纳米管整齐的单向平行排列，必须在成型之前，设计一个“向导过程”将CNT材料给捋顺了。

  捋顺的过程是在压缩室中完成的，CNT材料经历了从大颗粒到小颗粒，从无序到 有序的改变，从分布不均匀到均匀分布，最后CNT材料指向单一指向.这个过程需要高速高压的铜液流起至关重要的作用，一旦静止下来，CNT材料将重归无序，且CNT材料会浮在铜液表层(不均匀)，因此前者的密度仅是后者的六分之一。

  那么问题来了： 成型前必须要静止下来冷却，但这样会导致CNT材料紊乱。 解决这 问题的办法是一种快速冷却成型技术。工程师设计了一种类似发射舱的结构，仓门的外边是高温高压的混合溶液，门的里面是细条状的成型管道。门一旦打开，溶液被高压注射进成型管道。管道很细、很冷，被注射满后的几秒之后，CNT材料还未来得及无序化，溶液就被冷却，被挤出型腔，成为成为复合铜线。

  为了提高性能。后来又加入氯化镁作为添加剂，因为镁机可以和铜相容，又可以有效黏着CNT，因此它可以作为CNT和铜之间的粘结剂，提高他们的结合度。以此提升复合材料的性能。

  铸造成型的方法适合大规模使用，但其CNT材料复合率较低，导电能力提升也有限，目前能达到的水平仅有标准铜电导率的113%。

  英国剑桥大学开发了一种复合技术，先将CNT材料做成纱状编织带，上面的CNT材料靠范德华力相互链接，呈完全取向的排列状。然后通过蒸镀或电沉浸的方式将CNT编织带附着在铜材上，形成一个单层复合材料，这也是美国Amper实验室采用的技术。通过减小单层厚度，叠加成多层可以搭配出不同性能的产品。 DOE选择这种技术路线，是看中了这种技术的模块拓展性和环保特性（不需要电解液和大量电力）， 可适合大规模批量生产。

  这种技术目前达到的水平是通过叠加六层，获得116%标准铜的电导率，但后续的发展空间很大。

  将CNT材料喷镀在铜材上，喷镀的过程需要配合热热处理，这是美国NanoRidge 材料公司的一种产品制成技术。该技术适合批量生产，能够达到超过标准铜40%的电流容量，106%的电导率，但具体成型过程，仍然处于保密状态。他们宣传产品特别适合做开关功率器件的联结，同普通的铜条相比，能够减少30%的发热。

  将铜线置入一个管状容器中，里面包含了CNT悬浮液，通过声波引起管子共振，从而慢慢推动CNT材料向管中心汇集，靠近并最终附着在铜线材料上。这种成型方法能够获得高质量的复合材料，但是成型过程的可靠性较差，生产效率也很低，不适合大规模生产。

  有些方法制成的CNT/Cu材料成片状或棒状，无法直接当铜线使用，因此需要相应的后续加工。通常采用热挤压技术，如下图所示第一步将复合材料卷绕成16mm的柱状，通过高温加压将其挤压到2mm的圆柱。高温高于让层与层之间渗透增加，结合可靠。然后沿CNT材料排列方向将材料冷拉成细条装。

  一般新技术发展遇到的瓶颈都类似，无非就是性能和成本两个方面。目前性能较好的编制带成型方法，对参数比较敏感，性能一致性差。可能是对纳米材料的理解还不够深入，参数对材料特性影响不能精确计算和预测，这对品质控制带来了极大的挑战。

  成本方面也相当的高昂。性能较好的单壁碳纳米管在美国市场目前是5万~10万美元每公斤，性能略差的多壁碳纳米管也要200到1000美元每公斤。高昂的价格当然和产量直接相关，而产量有受至于性能的稳定和材料的推广应用。

  若借用马斯克做Tesla电池的第一性原理模型，会得另外一个结论：碳纳米管的原材料是碳，这是一种非常廉价的原料，通过技术改进和规模效应，最终CNT材料可以降低到非常廉价的水平。会使CNT复合铜线%普通铜线的水平。

  超级铜线最大的挑战来自于---技术保密政策，各大技术创新单位都闭门造车，相互交流很少。为了更好更快的解决这个问题，美国在2015年组织了“超级铜线”联盟会议，成员有橡树林实验室、国际铜业协会等等。会议制定了 从基础材料、 建模技术、数字计算、工艺技术、测试技术的详细路线图。大致可以总结为如下三个问题：

  在DOE的主持下，美国各单位已经联合行动起来，相信会加快超级铜线的产业化过程。

  超级铜线是一种高电导率的铜线技术，通过在铜材的基础上，复合碳纳米材料以提高导电率。复合的比例越高，导电能力越强，当复合率达到40%时能够达到两倍于纯铜的电导率。 目前存在的问题是生产技术不成熟，产品性能不稳定，而且成本非常高昂。但这是一种很有潜力的技术，因为它的理论成本极限非常低，应用前景又非常看好。虽然离发展成熟尚需要时日，但不可小觑。 “看不到、看不起、看不懂、来不及”，马云说出了日新月异时代人们的普遍焦虑。 作为工程师，我们也担心一觉醒来，自己的知识过时了。非常荣幸能为大家提前解决一部分“看得到”和“看得懂”的问题。这也是我做这个2025系列的初衷。

  UQM 是美国科罗拉多州的一家技术型电驱动系统公司， 在业内可谓是大名鼎鼎。同时也是USdrive成员， 是美国能源部（DOE）的长期合作伙伴，密切的参与到新技术、新产品的研发。在DOE主持的无稀化永磁技术项目中：UQM、橡树岭、通用构成了电机级开发的三驾马车。UQM公司选择了非稀土永磁电机的路线，而橡树岭选择了同步磁阻电机的路线，通用选择了开关磁链无Dy永磁电机路线。

  近八年以来，美国能源部开始大幅支持去稀土化技术开发。只要一有机会就强调稀土的非安全性。这是 11到12年那场稀土风波引发的后遗症，在不到一年的时间内稀土价格暴涨暴跌几十倍。对于老美而言这就是一场“稀土危机”。让他们深刻的体会到了被人卡住脖子的痛感，一如现在中国的芯片危机。 老美是一朝被蛇咬十年怕井绳，从那以后，“轻稀土、少稀土、最好是无稀土”就是政治正确的问题。

  在当下，去稀土化的技术其实也有经济价值，新能源领域，价格的竞争已日趋白热化，如何降低电机的成本越来越成为痛点， 钕铁硼磁钢是电机中最昂贵的部件，占到25~35%左右的成本，因此降低磁钢的成本是首选目标。

  在2011年，UQM选择用铝镍钴磁钢代替钕铁硼的技术路线，铝镍钴是一种什么材料呢？它的分子式AlNiCo，是30年代开发出来的一种永磁材料，当时因原材料丰富得以大范围应用，后因性能更好的钐钴、铷铁硼等材料发明而逐渐没落。

  稀土危机导致了人们重新把视野转向传统永磁材料， 铝镍钴的技术性能得以大幅度的提高。现在相比铷铁硼铝镍钴的磁性能如下：

  铝镍钴的Br和温度成反比，Hc和温度成正比，拐点随温度降低，能抗高温退磁

  但短板也相当明显，矫顽力仅达到120KA/m，只有的N38UH6%，而磁能积只有N38UH的15%

  相比彻底无永磁，UQM选择的是一条相对温和的路线kw电机开始入手，其开发目标归纳起来就是三条：

  在2011年，这个任务目标即便对于稀土永磁电机都有一定难度，何况对于铝镍钴电机，UQM至少需要克服三个难点：

  尽管难度很大，但老美的冒险和挑战精神是不需要怀疑的。这个项目很快获得DOE的通过，那到了356万美元的投资，于2011年开始立项，计划2016年结题，项目实施总共分四个阶段。

  在DOE的主持下，UQM联合了三家单位为其作基础技术支持，其中NREL为其提供散热分析和设计、Ames提供关键的高性能铝镍钴材料，橡树岭实验室提供第三方测试验证。不得不说这是一个相当豪华的团队。

  在众人期盼中UQM启动了设计工作，这个阶段主要解决的问题的是如何设计磁极结构和磁钢形状，即能保证提供足够的磁通，又能保证不出现退磁。车用驱动电机要求很高的过载倍数， 大过载也意味着大电流，对于一个低矫顽力的磁材电机而言，如何抵抗退磁是最难的挑战。

  UQM团队在磁极结构上作了创新，他们设计了一种U型磁极结构，充磁方向是平行于U型线，以此来提高励磁磁场的场强。更进一步，他们的转子铁芯是不导电不导磁的材料。

  UQM工程师在完成了第一轮概念验证机设计，其它指标都满足要求。但发现大过载时，磁钢处于退磁临界点，最大转矩的负载线在铝镍钴退磁曲线的膝点附近。 尽管如此仍然决定继续下一个阶段概念样机的制造和测试验证工作。

  要解决的还有另外一个难题：高速下的转子结构可靠性性。为了解决抗退磁的问题，磁钢设计的很厚，用料增加，高速下固定的难度也随之加大。

  为此UQM技术团队采用了压条、纤维带、胶水等多种设计手段来克服这个问题。

  在制造阶段并不是一番风顺。首先碰到了铝镍钴磁钢在装配过程中的失磁问题。在装入定子前，磁钢处于开路状态，因为铝镍钴的低矫顽力，磁钢工作点较低。如果伴随碰撞、敲打，容易出现退磁问题。

  为此 UQM设计了一个“keeper” （其实就是个钢套），包裹在转子表面，如此可以形成从永磁体N→keeper→永磁体S的闭合回路。磁钢的工作点得以提高，大幅降低了退磁概率。（在装入定子前，该钢套会被取出。）

  第二个问题是 铝镍钴材料在制造过程中的碎裂问题，为此项目团队，制定了完整的加工生产过程规范，对工装和操作参数都做了详细约定。

  在成功克服了这两个困难后，重要制造完成POC1 &2 两台样机，并准备内部测试。

  拿到样机， 首先对POC1做了反电动势测试，设计阶段的临界退磁问题，果然成真。

  对拖法测试反电动势，测试方法：先做空载反电动势测试，加大负载后，待其冷却，再作空载反电动势测试（核牛补充）

  当确认1号机退磁后，UQM决定继续对2号样机进行测试，为了防止再次出现退磁，最大转矩限制在了85%满载转矩。 不久又传来坏消息，1号机后续的高速测试失败，AlNiCo8磁钢发生了碎裂，经过分析是这是强度不够，材质太脆引起的。 为了安全，2号机最高转速只测试到了5000rpm。

  除退磁外，2号机的测试结果基本和设计值相当，效率和功率密度、转矩脉动等其他指标都达到规定要求 ，这给了UQM技术团队一定的信心支持， 决定继续开发。直接进入第三阶段，正式样机开发。

  于此同时Amer公司在高性能铝镍钴材料开发上，也获得突破。他们是在AlNiCo8的基础上，开发了一种叫AlNiCo8X 材料。将高纯度的球状合金粉末，通过烧结挤压成型。Amer 声称能大幅度提高矫顽力，可是Amer公司未能提高足够多的粉末供原理验证机的制造，只能推迟到正式样机上使用。UQM 希望借这种材料能够彻底解决退磁问题。

  另一条战线上NREL在先进冷却技术方面取得了突破，他们开发成功了两种端部冷却技术，一种是采用绕组端部注塑技术。我们知道绕组端部的冷却较困难，容易形成局部热点，如果能注塑合适的导热材料，能够直接打通从端部到水冷机壳的热路通道，从而大幅降低 温升水平。

  另外一种是绕组端部直接油冷技术，采用喷淋或其它方式，直接给端部冷却。这种方法的冷却效果更好，但需要额外的设备和油路，增加系统的复杂性。

  UQM总结原理验证机的缺陷：一个是高速结构可靠性，另一个是退磁的问题。复盘以后，认为主要的问题出在：

  为此UQM工程师决定要降低转子的最高温度，以免达到达粘结剂和绑缚材料的许用温度极限。不仅如此他们还改进了转子结构，以降低高温高速下转子的变形量。

  同时Amer公司为了避免再出现磁钢碎裂，决定采用强度更高的材料，并且还要进一步提高矫顽力，以提高抗退磁。新的材料命名为Alnico8HE，相对Alnico9,其矫顽力提升了13%，强度提高了43%，美中不足的是剩磁和磁能积下降了。

  非常可惜的，承担了大部分期望 高矫顽力AlNiCo8X材料，因为延期，未能赶上第二轮样机制造的进度。

  在2015年终于推出了改进过的正式样机，但关于它的资料相当的少。通过一些图片可以发现，转子结构有小的改动，U型磁钢变成V型，中间多了中间磁桥，应该是为了加强高速时的结构强度。

  在冷却技术方面， UQM在“绕组端部注塑”和“端部油冷”两者之间最终选择了前者。NREL 仍旧非常给力，给出了更多的仿真和测试数据，并进一步优化了端部注塑设计。

  绕组端部的最高温度被进一步降低，最佳的一组方案，从205℃降低到了165℃。降幅达到20%。

  这款电机的测试数据并未公布，但获得了DOE的官方认可，说明技术指标达到了相关预期，从设计数据中可以看出，退磁的问题解决了。

  值得注意的是：在项目评审时，一个关键的问题被提出：“虽然铝镍钴的价格是钕铁硼的三分之一，但是用量也接近三倍，如此成本优势就不突出”。UQM给出的答案是：“随着AlNiCo矫顽力的提高，钴用量的下降，磁钢的用量和成本会双双下降，成本优势会加大,这个趋势会非常明显。”因此问题的关键还在于Amer能否持续改善材料的性能。

  UQM团队视乎获得了相当大的信心，在2016年开始设计更大功率的铝镍钴电机，这次把目标定在了120kw，这是一款16极96槽的电机。

  在这六年内UQM的铝镍钴电机的技术创新之路，走的是相当坎坷。让我们再一次认识到：涉及到基础材料科学的创新是高风险项目。但这样的一个过程还是有相当的经验值得我们学习：

  其次是研发联盟机制，一个项目除了主导企业，背后还有许多单位提供基础技术支撑，各自提供最擅长的长板参与合作；

  最后是积极乐观的心态。 测试失败、磁钢研发进度拖延，UQM技术团队没有过于计较一城一地得失，而是坚持往下走，没有解决的问题先放一放 。

  一个技术从提出到成熟，一个项目从立项到结题，就如一个人的成长一样，很难一帆风顺。世事无常，有些事我们很难掌控，能掌控的唯有 “在因上用功，在果上随缘”的态度。