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新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)用無(wú)取向硅鋼開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究現(xiàn)狀

嘉峪檢測(cè)網(wǎng)        2023-01-03 13:17

摘要:驅(qū)動(dòng)電機(jī)是新能源汽車(chē)的核心動(dòng)力總成,決定了整車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。在當(dāng)前及可預(yù)見(jiàn)的未來(lái),汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)仍將普遍采用高性能冷軋無(wú)取向硅鋼作為核心導(dǎo)磁材料。概括性總結(jié)了新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)導(dǎo)磁材料的要求,簡(jiǎn)要介紹了國(guó)際主要鋼鐵公司的無(wú)取向硅鋼產(chǎn)品系列,并對(duì)未來(lái)無(wú)取向硅鋼材料如何更好地滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)小型化、高效化、高速化需求進(jìn)行了技術(shù)發(fā)展方向探討。
 
關(guān)鍵詞:驅(qū)動(dòng)電機(jī) 無(wú)取向硅鋼 開(kāi)發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀 技術(shù)發(fā)展方向
 
1、前言
 
為滿足不斷嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)要求,推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”,新能源汽車(chē)已經(jīng)成為當(dāng)前汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流方向[1]。驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)汽車(chē)的心臟,其性能和可靠性要求較其它用途電機(jī)更加苛刻。受制于整車(chē)空間和電池容量,要求汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有小型化、高效化、高功率密度特征,同時(shí)還要滿足復(fù)雜、嚴(yán)苛的服役環(huán)境條件和車(chē)規(guī)級(jí)高可靠性要求。這些需求都對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)核心功能材料——導(dǎo)磁材料提出了更高的要求:高飽和磁通密度、高磁感應(yīng)強(qiáng)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(xué)性能和抗疲勞性能、良好的加工性能以及較高的性價(jià)比。在當(dāng)前及可預(yù)見(jiàn)的近未來(lái),冷軋無(wú)取向硅鋼仍將是應(yīng)對(duì)上述需求最普遍采用的導(dǎo)磁功能材料[2]。
 
近年來(lái),中國(guó)已成為世界冷軋無(wú)取向硅鋼的第一生產(chǎn)大國(guó),而歐美和日本的生產(chǎn)能力呈萎縮趨勢(shì)。國(guó)際上無(wú)取向硅鋼產(chǎn)銷(xiāo)量較大的鋼鐵企業(yè)主要有中國(guó)寶武集團(tuán)、中國(guó)首鋼、日本新日鐵(NSC)、日本鋼鐵工程控股公司(JFE)、韓國(guó)浦項(xiàng)(POSCO)以及歐洲的安賽樂(lè)米塔爾等。這些鋼鐵公司已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了針對(duì)新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)用的多個(gè)無(wú)取向硅鋼系列,這些鋼材除具有優(yōu)良的導(dǎo)磁特性,同時(shí)還具有良好的力學(xué)性能和加工適用性。對(duì)于這些高性能冷軋電工鋼制造技術(shù),各鋼廠都視為企業(yè)的生命,并以專(zhuān)利形式加以保護(hù)[3]。
 
2、新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)導(dǎo)磁材料的要求
 
導(dǎo)磁材料約占車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)整機(jī)質(zhì)量的50%,其性能、成本和可靠性很大程度上決定了電機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性[4]。為實(shí)現(xiàn)輕量化、高動(dòng)力性和較高的續(xù)駛里程,驅(qū)動(dòng)電機(jī)鐵心的導(dǎo)磁材料必須同時(shí)兼具高磁性能(具備高飽和磁通密度、高磁感應(yīng)強(qiáng)度、低鐵損)、高力學(xué)性能(高屈服強(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)度、良好的延伸率)、良好的熱物理性能(具備較高的導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)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(yīng)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(wú)禁用物質(zhì)、良好的耐油可靠性)[5]。
 
圖1展示了典型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性曲線以及不同區(qū)域?qū)?dǎo)磁材料的不同要求[6],是對(duì)以上5個(gè)方面性能綜合要求的具體體現(xiàn)。
 
 
圖1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)典型特性曲線及不同區(qū)域?qū)?dǎo)磁材料的要求[5]
 
3、國(guó)際主要鋼鐵公司的驅(qū)動(dòng)電機(jī)用無(wú)取向硅鋼產(chǎn)品簡(jiǎn)介
 
3.1 國(guó)內(nèi)車(chē)用無(wú)取向硅鋼產(chǎn)品介紹
我國(guó)新能源汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)硅鋼的開(kāi)發(fā)工作從2008年開(kāi)始展開(kāi),目前取得極大的進(jìn)展。以寶武集團(tuán)、首鋼集團(tuán)為代表的國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)在電工鋼領(lǐng)域已發(fā)展成為極具國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的行業(yè)領(lǐng)軍者[7]。
 
寶武集團(tuán)目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了AV(普通型)、AHV(高效型)、APV(高磁感型)、AHS(高強(qiáng)度型)等多個(gè)系列的數(shù)十款牌號(hào)的針對(duì)新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)用的無(wú)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(chēng)厚度級(jí)別,尤其是0.25 mm以下高性能超薄無(wú)取向硅鋼已具備量產(chǎn)應(yīng)用條件。各個(gè)系列產(chǎn)品性能指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平[8]。
 
本文對(duì)寶武集團(tuán)各個(gè)系列部分常用牌號(hào)的無(wú)取向硅鋼材料性能進(jìn)行了材料搜集和實(shí)物測(cè)試,其典型測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。
 
表1 寶武集團(tuán)部分驅(qū)動(dòng)電機(jī)用無(wú)取向硅鋼性能
 
 
3.2 國(guó)外車(chē)用無(wú)取向硅鋼產(chǎn)品介紹
 
3.2.1 國(guó)外主要相關(guān)鋼鐵公司
 
國(guó)外在新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)用無(wú)取向硅鋼材料領(lǐng)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(guó)浦項(xiàng)(POSCO)以及歐洲的安賽樂(lè)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(jì)八十年代起開(kāi)始開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)高性能車(chē)用無(wú)取向硅鋼,并長(zhǎng)期作為行業(yè)技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。
 
3.2.2 日本新日鐵公司高性能無(wú)取向硅鋼材料簡(jiǎn)介
 
針對(duì)新能源汽車(chē)應(yīng)用需求,新日鐵公司于上世紀(jì)八十年代率先開(kāi)展車(chē)用無(wú)取向硅鋼技術(shù)及產(chǎn)品開(kāi)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(gè)系列產(chǎn)品。其中HIEXCORETM為高磁感應(yīng)強(qiáng)度低鐵損高性能無(wú)取向硅鋼,厚度0.15~0.50 mm,共十余個(gè)牌號(hào)。新日鐵HILITECORE高強(qiáng)度硅鋼主要采用Cr、Mn、Ni、Cu、P固溶強(qiáng)化和Nb、Zr、Ti、V、Cu細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化以及位錯(cuò)強(qiáng)化提高無(wú)取向硅鋼的強(qiáng)度[10],從技術(shù)角度,可實(shí)現(xiàn)材料性能覆蓋以下范圍:抗拉強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度B5000:1.61~1.75 T。
 
本文收集并測(cè)試了的部分新日鐵無(wú)取向硅鋼材料,其性能數(shù)據(jù)典型值見(jiàn)表2。
 
表2 新日鐵部分驅(qū)動(dòng)電機(jī)用無(wú)取向硅鋼材料性能
 
 
3.2.3 韓國(guó)浦項(xiàng)高性能無(wú)取向硅鋼材料簡(jiǎn)介
 
韓國(guó)浦項(xiàng)制鐵公司針對(duì)車(chē)用無(wú)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(qiáng)系列。其中PNF系列與常規(guī)產(chǎn)品PN系列相比,主要特點(diǎn)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(hào)。PNHF系列在PNF系列的基礎(chǔ)上,在保證極低的高頻鐵損的同時(shí),具有較高的磁感性能。PNT系列產(chǎn)品的特點(diǎn)為具有高強(qiáng)度,磁性能一般,用于抗疲勞強(qiáng)度要求極高而磁性能要求不高的汽車(chē)高速電機(jī)轉(zhuǎn)子,厚度規(guī)格主要為0.35 mm,根據(jù)屈服強(qiáng)度分為若干牌號(hào),屈服強(qiáng)度可達(dá)700 MPa以上。其公布的主要產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)典型值見(jiàn)表3。
 
表3 韓國(guó)浦項(xiàng)公司部分驅(qū)動(dòng)電機(jī)用無(wú)取向硅鋼材料性能
 
3.2.4 其它公司高性能無(wú)取向硅鋼材料簡(jiǎn)介
 
除上述主要幾家鋼企以外,日本JFE、歐洲的安賽樂(lè)米塔爾等公司也專(zhuān)門(mén)針對(duì)新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行了相應(yīng)的無(wú)取向硅鋼材料開(kāi)發(fā)研究和系列化生產(chǎn)。
 
比如日本JFE公司針對(duì)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī),先后開(kāi)發(fā)了5類(lèi)高效電機(jī)用無(wú)取向硅鋼材料。首先是JN系列,該系列為基礎(chǔ)系列,具有高磁感應(yīng)強(qiáng)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(hào);其次是應(yīng)用于消除應(yīng)力退火后能獲得高磁感應(yīng)強(qiáng)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(jī)中應(yīng)用較少;JNE系列在JN系列的基礎(chǔ)上,提高磁感性能;JNP系列為超高磁感系列,在保證相當(dāng)鐵損性能的同時(shí),比JNE系列具有更高的磁感感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)用于高頻高功率電機(jī)。
 
4、新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)用無(wú)取向硅鋼技術(shù)發(fā)展方向
 
4.1 產(chǎn)品需求導(dǎo)出的材料技術(shù)發(fā)展方向
無(wú)取向硅鋼材料技術(shù)發(fā)展方向主要是為了滿足新能源汽車(chē)產(chǎn)品發(fā)展新需求。隨著新能源汽車(chē)快速發(fā)展,市場(chǎng)和消費(fèi)者對(duì)新能源汽車(chē)提出了更強(qiáng)的動(dòng)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(jià)格的要求[11]。分解到驅(qū)動(dòng)電機(jī)上,要求電機(jī)具備更高功率/轉(zhuǎn)矩密度、更高能效、更高可靠性、更低振動(dòng)噪聲以及低成本。對(duì)于鐵心導(dǎo)磁材料來(lái)講,則要求其具備更高磁感應(yīng)強(qiáng)度、更低鐵損、更高的強(qiáng)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(jià)比[12-15]。經(jīng)過(guò)行業(yè)近年來(lái)快速發(fā)展,無(wú)取向硅鋼在上述技術(shù)方向取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,飽和磁通密度等多項(xiàng)指標(biāo)接近理論極限。且對(duì)于車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)無(wú)取向硅鋼而言,鐵損、磁感應(yīng)強(qiáng)度和力學(xué)性能很難同時(shí)趨優(yōu)[16]。兼顧到車(chē)用材料的經(jīng)濟(jì)性要求以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)制造工藝方面的制約,目前新能源汽車(chē)無(wú)取向硅鋼重點(diǎn)技術(shù)發(fā)展方向主要集中在以下2方面。
 
a.進(jìn)一步降低材料鐵損,尤其是400~1 500 Hz中頻范圍鐵損;
 
b.通過(guò)制造技術(shù)革新,最大程度地降低加工過(guò)程對(duì)材料性能的影響,提升電機(jī)能效。
 
4.2 具體發(fā)展路徑
4.2.1 降鐵損提高汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率的最主要途徑之一是降低導(dǎo)磁材料的鐵損[17]。
 
材料在交變磁場(chǎng)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(chǎng)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(dǎo)出的渦流損耗經(jīng)典公式見(jiàn)公式(1)。
 
式中,t為材料厚度;f為磁場(chǎng)頻率;Bm為最大磁感應(yīng)強(qiáng)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(jī)高速化(決定電磁場(chǎng)頻率)、高功率密度等發(fā)展,這些外部條件趨于惡劣。因此,對(duì)材料來(lái)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(guó)內(nèi)外主要鋼鐵公司,利用各種技術(shù)均開(kāi)展了公稱(chēng)厚度0.20 mm乃至0.15 mm的超薄無(wú)取向硅鋼材料開(kāi)發(fā),在電機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用方面,國(guó)內(nèi)外乘用車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用公稱(chēng)厚度0.30 mm無(wú)取向硅鋼已經(jīng)成為主流,許多汽車(chē)廠家都在開(kāi)發(fā)公稱(chēng)厚度為0.25 mm、0.20 mm的超薄無(wú)取向硅鋼電機(jī),個(gè)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(jī)效率對(duì)比,可以看出,低轉(zhuǎn)速時(shí)厚度對(duì)效率影響很小,但是高轉(zhuǎn)速時(shí),0.30 mm硅鋼電機(jī)比0.35 mm硅鋼電機(jī)的高效區(qū)面積增加20%以上。
 
圖2 不同材料電機(jī)效率MAP對(duì)比
 
4.2.2 加工制造技術(shù)革新
 
柳超等人研究表明[22],外加壓力會(huì)影響無(wú)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(dāng)壓力從自由狀態(tài)增加到100 MPa時(shí),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(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工制造技術(shù)革新,改善乃至消除無(wú)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(yīng)力,是推進(jìn)高性能無(wú)取向硅鋼應(yīng)用,降低鐵心損耗,提升電機(jī)能效的重要研究方向。
 
目前,降低材料殘余應(yīng)力的主要技術(shù)途徑和研究方向主要有4個(gè)方面[23-24]。
 
a.鐵心與電機(jī)殼體裝配方式的設(shè)計(jì)方面,通過(guò)軸向螺栓連接方式替代傳統(tǒng)的徑向過(guò)盈裝配,降低殘余壓應(yīng)力;
 
b.鐵心疊片連接方式采用膠接(模內(nèi)點(diǎn)膠粘接技術(shù)、硅鋼自粘結(jié)涂層技術(shù))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(yīng)力退火技術(shù)研究。
 
5、結(jié)束語(yǔ)
 
盡管我國(guó)新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)用無(wú)取向硅鋼的開(kāi)發(fā)研究起步較晚,但已經(jīng)取得很大進(jìn)展。國(guó)內(nèi)以寶武集團(tuán)、首鋼集團(tuán)為代表的鋼廠已經(jīng)針對(duì)新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)用無(wú)取向硅鋼材料開(kāi)展了系列化的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和研究,且形成批量化生產(chǎn)供應(yīng)能力,材料性能指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,可以滿足我國(guó)新能源汽車(chē)研發(fā)及生產(chǎn)要求。
 
為了滿足新能源汽車(chē)產(chǎn)品更強(qiáng)的動(dòng)力、更高效節(jié)能(更長(zhǎng)的續(xù)駛里程)、更安全舒適以及更低價(jià)格的需求,無(wú)取向硅鋼重點(diǎn)技術(shù)發(fā)展方向主要集中在材料超薄化降鐵損以及鐵心設(shè)計(jì)和制造技術(shù)革新,最大程度地降低加工過(guò)程對(duì)材料性能的影響,進(jìn)而提升電機(jī)能效,其中鐵心設(shè)計(jì)和制造技術(shù)革新是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)各大汽車(chē)主機(jī)廠、電機(jī)零部件生產(chǎn)廠以及硅鋼材料生產(chǎn)廠重點(diǎn)研究的方向。
 
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