張顯東 王妍 柳超 袁博 張啟東 張?chǎng)?/p>

（中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司質(zhì)量保證部，長(zhǎng)春 130013）

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”，新能源汽車已經(jīng)成為當(dāng)前汽車產(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。受制于整車空間和電池容量，要求汽車驅(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，并以專利形式加以保護(hù)[3]。

2 新能源汽車驅(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)。

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)車用無(wú)取向硅鋼產(chǎn)品介紹

我國(guó)新能源汽車用驅(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)米塔爾等公司也專門(mén)針對(duì)新能源汽車驅(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)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，先后開(kāi)發(fā)了5類高效電機(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產(chǎn)品發(fā)展新需求。隨著新能源汽車快速發(fā)展，市場(chǎng)和消費(fèi)者對(duì)新能源汽車提出了更強(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)外乘用車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用公稱厚度0.30 mm無(wú)取向硅鋼已經(jīng)成為主流，許多汽車廠家都在開(kāi)發(fā)公稱厚度為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)新能源汽車研發(fā)及生產(chǎn)要求。

為了滿足新能源汽車產(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。