新能源汽車驅動電機用無取向硅鋼開發(fā)及應用研究現(xiàn)狀

張顯東 王妍 柳超 袁博 張啟東 張鑫

（中國第一汽車集團有限公司質量保證部，長春 130013）

1 前言

為滿足不斷嚴格的環(huán)保法規(guī)要求，推動實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”，新能源汽車已經(jīng)成為當前汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流方向[1]。驅動電機作為電動汽車的心臟，其性能和可靠性要求較其它用途電機更加苛刻。受制于整車空間和電池容量，要求汽車驅動電機具有小型化、高效化、高功率密度特征，同時還要滿足復雜、嚴苛的服役環(huán)境條件和車規(guī)級高可靠性要求。這些需求都對驅動電機核心功能材料——導磁材料提出了更高的要求：高飽和磁通密度、高磁感應強度、低損耗（尤其是400～1 500 Hz中頻條件下具有低的鐵損）、優(yōu)異的力學性能和抗疲勞性能、良好的加工性能以及較高的性價比。在當前及可預見的近未來，冷軋無取向硅鋼仍將是應對上述需求最普遍采用的導磁功能材料[2]。

近年來，中國已成為世界冷軋無取向硅鋼的第一生產(chǎn)大國，而歐美和日本的生產(chǎn)能力呈萎縮趨勢。國際上無取向硅鋼產(chǎn)銷量較大的鋼鐵企業(yè)主要有中國寶武集團、中國首鋼、日本新日鐵（NSC）、日本鋼鐵工程控股公司（JFE）、韓國浦項（POSCO）以及歐洲的安賽樂米塔爾等。這些鋼鐵公司已經(jīng)成功開發(fā)了針對新能源汽車驅動電機應用的多個無取向硅鋼系列，這些鋼材除具有優(yōu)良的導磁特性，同時還具有良好的力學性能和加工適用性。對于這些高性能冷軋電工鋼制造技術，各鋼廠都視為企業(yè)的生命，并以專利形式加以保護[3]。

2 新能源汽車驅動電機對導磁材料的要求

導磁材料約占車用驅動電機整機質量的50%,其性能、成本和可靠性很大程度上決定了電機的動力性、經(jīng)濟性和耐久性[4]。為實現(xiàn)輕量化、高動力性和較高的續(xù)駛里程，驅動電機鐵心的導磁材料必須同時兼具高磁性能（具備高飽和磁通密度、高磁感應強度、低鐵損）、高力學性能（高屈服強度、高疲勞強度、良好的延伸率）、良好的熱物理性能（具備較高的導熱率、熱擴散率以及低的熱膨脹系數(shù)、低磁致伸縮系數(shù)）、良好的加工適應性（良好的可沖裁性和焊接性、高尺寸精度（尤其是厚度方向）、高疊裝系數(shù)）、其它性能要求（綠色環(huán)保、無禁用物質、良好的耐油可靠性）[5]。

圖1展示了典型的驅動電機特性曲線以及不同區(qū)域對導磁材料的不同要求[6]，是對以上5個方面性能綜合要求的具體體現(xiàn)。

3 國際主要鋼鐵公司的驅動電機用無取向硅鋼產(chǎn)品簡介

3.1 國內(nèi)車用無取向硅鋼產(chǎn)品介紹

我國新能源汽車用驅動電機硅鋼的開發(fā)工作從2008年開始展開，目前取得極大的進展。以寶武集團、首鋼集團為代表的國內(nèi)鋼鐵企業(yè)在電工鋼領域已發(fā)展成為極具國際競爭力的行業(yè)領軍者[7]。

寶武集團目前已經(jīng)開發(fā)了AV（普通型）、AHV（高效型）、APV（高磁感型）、AHS（高強度型）等多個系列的數(shù)十款牌號的針對新能源汽車驅動電機用的無取向硅鋼材料，全面覆蓋0.50 mm、0.35 mm、0.30 mm、0.27 mm、0.25 mm、0.20 mm和0.15 mm公稱厚度級別，尤其是0.25 mm以下高性能超薄無取向硅鋼已具備量產(chǎn)應用條件。各個系列產(chǎn)品性能指標均達到了國際先進水平[8]。

本文對寶武集團各個系列部分常用牌號的無取向硅鋼材料性能進行了材料搜集和實物測試，其典型測試結果見表1。

表1 寶武集團部分驅動電機用無取向硅鋼性能

3.2 國外車用無取向硅鋼產(chǎn)品介紹

3.2.1 國外主要相關鋼鐵公司

國外在新能源汽車驅動電機用無取向硅鋼材料領域主要的鋼鐵企業(yè)有日本新日鐵（NSC）、日本鋼鐵工程控股公司（JFE）、韓國浦項（POSCO）以及歐洲的安賽樂米塔爾[9]。以日本新日鐵、日本鋼鐵工程控股公司等為代表的鋼鐵公司從上世紀八十年代起開始開發(fā)并生產(chǎn)高性能車用無取向硅鋼，并長期作為行業(yè)技術領導者。

3.2.2 日本新日鐵公司高性能無取向硅鋼材料簡介

針對新能源汽車應用需求，新日鐵公司于上世紀八十年代率先開展車用無取向硅鋼技術及產(chǎn)品開發(fā)，并陸續(xù)形成了HILITECORETTM普通/薄規(guī)格及HIEXCORETM普通/薄規(guī)格4個系列產(chǎn)品。其中HIEXCORETM為高磁感應強度低鐵損高性能無取向硅鋼，厚度0.15～0.50 mm，共十余個牌號。新日鐵HILITECORE高強度硅鋼主要采用Cr、Mn、Ni、Cu、P固溶強化和Nb、Zr、Ti、V、Cu細晶強化、析出強化以及位錯強化提高無取向硅鋼的強度[10]，從技術角度，可實現(xiàn)材料性能覆蓋以下范圍：抗拉強度Rm：368～882 MPa；鐵損P1.5/50：1.98～9.95 W/kg，P1.0/400：9.4～52.4 W/kg；磁感應強度B5000：1.61～1.75 T。

本文收集并測試了的部分新日鐵無取向硅鋼材料，其性能數(shù)據(jù)典型值見表2。

表2 新日鐵部分驅動電機用無取向硅鋼材料性能

3.2.3 韓國浦項高性能無取向硅鋼材料簡介

韓國浦項制鐵公司針對車用無取向電工鋼，已經(jīng)形成4種系列化產(chǎn)品：PN常規(guī)系列、PNF低鐵損系、PNHF低鐵損高磁感系列和PNT高強系列。其中PNF系列與常規(guī)產(chǎn)品PN系列相比，主要特點是在高頻下具有較低鐵損值，厚度規(guī)格有0.35 mm、0.30 mm、0.27 mm及0.20 mm，每種厚度規(guī)格又按其高頻鐵損分為若干牌號。PNHF系列在PNF系列的基礎上，在保證極低的高頻鐵損的同時，具有較高的磁感性能。PNT系列產(chǎn)品的特點為具有高強度，磁性能一般，用于抗疲勞強度要求極高而磁性能要求不高的汽車高速電機轉子，厚度規(guī)格主要為0.35 mm,根據(jù)屈服強度分為若干牌號，屈服強度可達700 MPa以上。其公布的主要產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)典型值見表3。

表3 韓國浦項公司部分驅動電機用無取向硅鋼材料性能

3.2.4 其它公司高性能無取向硅鋼材料簡介

除上述主要幾家鋼企以外，日本JFE、歐洲的安賽樂米塔爾等公司也專門針對新能源汽車驅動電機進行了相應的無取向硅鋼材料開發(fā)研究和系列化生產(chǎn)。

比如日本JFE公司針對汽車驅動電機，先后開發(fā)了5類高效電機用無取向硅鋼材料。首先是JN系列，該系列為基礎系列，具有高磁感應強度、低鐵損的特性，有0.35 mm和0.50 mm 2種板厚規(guī)格，按鐵損分為諸多牌號；其次是應用于消除應力退火后能獲得高磁感應強度、低鐵損的JNA系列，該系列板厚規(guī)格為0.50 mm，在高功率比電機中應用較少；JNE系列在JN系列的基礎上，提高磁感性能；JNP系列為超高磁感系列，在保證相當鐵損性能的同時，比JNE系列具有更高的磁感感應強度；JNEH系列產(chǎn)品具有更薄的厚度規(guī)格（0.2 mm）,最顯著特征為在高頻下仍具有低鐵損，主要應用于高頻高功率電機。

4 新能源汽車驅動電機用無取向硅鋼技術發(fā)展方向

4.1 產(chǎn)品需求導出的材料技術發(fā)展方向

無取向硅鋼材料技術發(fā)展方向主要是為了滿足新能源汽車產(chǎn)品發(fā)展新需求。隨著新能源汽車快速發(fā)展，市場和消費者對新能源汽車提出了更強的動力、更高效節(jié)能（增加續(xù)駛里程）、更安全舒適以及更低的價格的要求[11]。分解到驅動電機上，要求電機具備更高功率/轉矩密度、更高能效、更高可靠性、更低振動噪聲以及低成本。對于鐵心導磁材料來講，則要求其具備更高磁感應強度、更低鐵損、更高的強度、更低的磁致伸縮系數(shù)以及優(yōu)良的加工性能和高性價比[12-15]。經(jīng)過行業(yè)近年來快速發(fā)展，無取向硅鋼在上述技術方向取得了長足的進步，飽和磁通密度等多項指標接近理論極限。且對于車用驅動電機無取向硅鋼而言，鐵損、磁感應強度和力學性能很難同時趨優(yōu)[16]。兼顧到車用材料的經(jīng)濟性要求以及驅動電機制造工藝方面的制約，目前新能源汽車無取向硅鋼重點技術發(fā)展方向主要集中在以下2方面。

a.進一步降低材料鐵損，尤其是400～1 500 Hz中頻范圍鐵損；

b.通過制造技術革新，最大程度地降低加工過程對材料性能的影響，提升電機能效。

4.2 具體發(fā)展路徑

4.2.1 降鐵損提高汽車驅動電機效率的最主要途徑之一是降低導磁材料的鐵損[17]。材料在交變磁場中的鐵損主要由磁滯損耗和渦流損耗2部分組成[18]，且隨著磁場頻率升高渦流損耗成為主要因素。根據(jù)麥克斯韋方程推導出的渦流損耗經(jīng)典公式見公式（1）。

式中，t為材料厚度；f為磁場頻率；Bm為最大磁感應強度；ρ為材料的電阻率；γ為材料密度；K為波形系數(shù)。

從公式可以看出渦流損耗和材料厚度的平方成正比，與頻率的平方成正比，與材料電阻率成反比。其中，除了材料厚度t、材料電阻率ρ、材料密度γ外，均為外部客觀條件，且隨著電機高速化（決定電磁場頻率）、高功率密度等發(fā)展，這些外部條件趨于惡劣。因此，對材料來講，降低渦流損耗最有效的方式是降低材料厚度t[19-21]。

如本文第2節(jié)所述，國內(nèi)外主要鋼鐵公司，利用各種技術均開展了公稱厚度0.20 mm乃至0.15 mm的超薄無取向硅鋼材料開發(fā)，在電機產(chǎn)品應用方面，國內(nèi)外乘用車用驅動電機采用公稱厚度0.30 mm無取向硅鋼已經(jīng)成為主流，許多汽車廠家都在開發(fā)公稱厚度為0.25 mm、0.20 mm的超薄無取向硅鋼電機，個別廠家，如豐田、本田及寶馬等已經(jīng)量產(chǎn)。圖2為采用不同厚度硅鋼的電機效率對比，可以看出，低轉速時厚度對效率影響很小，但是高轉速時，0.30 mm硅鋼電機比0.35 mm硅鋼電機的高效區(qū)面積增加20%以上。

圖2 不同材料電機效率MAP對比

4.2.2 加工制造技術革新

柳超等人研究表明[22]，外加壓力會影響無取向硅鋼的磁感和鐵損性能，隨著壓力的增大，硅鋼的磁感逐漸降低，鐵損不斷升高。當壓力從自由狀態(tài)增加到100 MPa時，材料鐵損Ps1.5/50和Ps1.0/400增加的幅度分別為58%和72%，因此，通過產(chǎn)品設計和加工制造技術革新，改善乃至消除無取向硅鋼在鐵心加工、制造和裝配等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的壓應力，是推進高性能無取向硅鋼應用，降低鐵心損耗，提升電機能效的重要研究方向。

目前，降低材料殘余應力的主要技術途徑和研究方向主要有4個方面[23-24]。

a.鐵心與電機殼體裝配方式的設計方面，通過軸向螺栓連接方式替代傳統(tǒng)的徑向過盈裝配，降低殘余壓應力；

b.鐵心疊片連接方式采用膠接（模內(nèi)點膠粘接技術、硅鋼自粘結涂層技術）替代傳統(tǒng)的鉚接；

c.鐵心總成連接方式采用激光焊替代氬弧焊；

d.鐵心總成去應力退火技術研究。

5 結束語

盡管我國新能源汽車驅動電機用無取向硅鋼的開發(fā)研究起步較晚，但已經(jīng)取得很大進展。國內(nèi)以寶武集團、首鋼集團為代表的鋼廠已經(jīng)針對新能源汽車驅動電機用無取向硅鋼材料開展了系列化的產(chǎn)品開發(fā)和研究，且形成批量化生產(chǎn)供應能力，材料性能指標已達到國際先進水平，可以滿足我國新能源汽車研發(fā)及生產(chǎn)要求。

為了滿足新能源汽車產(chǎn)品更強的動力、更高效節(jié)能（更長的續(xù)駛里程）、更安全舒適以及更低價格的需求，無取向硅鋼重點技術發(fā)展方向主要集中在材料超薄化降鐵損以及鐵心設計和制造技術革新，最大程度地降低加工過程對材料性能的影響，進而提升電機能效，其中鐵心設計和制造技術革新是未來一段時間內(nèi)各大汽車主機廠、電機零部件生產(chǎn)廠以及硅鋼材料生產(chǎn)廠重點研究的方向。