日本低公害汽车的核心技术：驱动电机用电工钢板的应用

    新型汽车用驱动电机

    日本为了减排CO2和降低油耗，对低公害汽车的开发和实用化非常重视。1997年在世界上首次批量生产的混合动力车上市后，车种在不断扩大，最近随着小型、低价的混合动力车的上市，将很快得到普及。2002年，世界上首台燃料电池汽车（FCV）也成功上市，预计不久使用高性能锂离子电池的电动汽车（EV）也将上市。据初步统计，2003年新型汽车已达13.5万辆。

    混合动力车、EV和FCV均由电机驱动，其按重量比例的输出功率已达到汽油发动机难以实现的高水平，在适应转矩变化的控制性方面也比发动机快而好的多。在汽车上除主驱动用的电机外，还有刹车用和电风扇用等多数小型电机。本文将对作为下一代低公害汽车的核心技术中的主驱动电机及所用电工钢板简介如下。

    由于驱动电机的性能对汽车的行驶性能和能耗的影响很大，因此日本正在积极提高其性能，特别是汽车启动时对高转矩的适应性、车速达到最高速度时的高速回转和降低能耗等，还有在小型轻量化方面做了大量的工作。

    驱动电机有很多种，但混合动力车、EV和FCV最希望用感应电机（IM电机）和永磁同步电机（PM电机），特别是PM电机能以较少的电流产生和IM电机同样的转矩，因此已在混合动力车上应用。PM电机分为磁铁装在转子表面的表面磁铁型（SPM）和磁铁装在转子内部的内部磁铁型（IPM）两类。IPM电机由于磁铁形状和磁束通道的改进可产生很大的阻抗转矩，因此可以生产出高输出功率的电机，如最近混合动力车用IPM电机的永久磁铁用的大多是磁力高的钕铁硼永久磁铁。

    决定电机性能的电工钢板

    决定驱动电机高性能化的关键材料是电工钢板，电机主要由转子和定子组成，转子和定子的铁芯均使用电工钢板。电工钢板分取向电工钢板和无取向电工钢板。这是由于将在铁的晶体结构方向中最容易磁化的（1 0 0）方向平均分布于钢板平面，以适于对各种不同方向的磁化，因此对磁力经常变化的电机较为适用。

    对驱动电机用电工钢板的主要性能要求为：高磁感和低铁损。高磁感有利于达到汽车启动时的高转矩；另外，铁在磁化时具有耗能（发热）的性质，这就是所谓的能源损失即铁损，并成为电机效率下降的重要原因。（其它损失还有线圈发热产生的铜损和机械摩擦等产生的机械损耗等等）。特别是近来在通过电机的高速回转以提高其输出功率的过程中，降低随高速回转产生的高区铁损成为重要的课题。

    铁损由磁滞损耗和涡流损耗两类组成。降低涡流损耗方面，以加入硅、铝从而提高固有阻力和减少板厚等较为有效，但由于这些措施将同时降低磁感，因此兼顾保证低铁损和高磁感较为困难。为此，多采取合金成分的最佳化，加上通过结晶方向控制等措施来减少磁滞损耗的同时提高磁感。

    在无取向电工钢板的生产工序中，通过炼钢、热轧和冷轧后的退火和一次再结晶以获得晶粒长大。但它对结晶方向的控制，与通过二次再结晶产生的取向电工钢板相比，必须在较短的生产工序中完成。也就是说，退火后的再结晶晶粒里有从晶粒界面附近再结晶和从晶粒内部再结晶两种，前者的结晶方向趋向磁性差的方向（1 1 1）。于是控制冷轧时所产生的晶粒内变形带（形变聚集区域）再结晶的、磁性好的晶粒优先长大就成为重要措施；并且还要通过对冷轧时压下率和退火温度的控制以保证退火后结晶方向的变化；还有，炼钢时降低C、S、N等夹杂物的高纯度冶炼也有利于提高磁性。总之，依靠最先进的冶炼、轧制和热处理等生产技术即可开发出铁损低且磁感高的电工钢板。如具有高牌号铁损值低且磁感高的电工钢板现已被2003年上市的丰田产新型混合动力车的电机所采用，并为降低能耗作出了贡献。据说，各类混合动力车从1997年投产以来，到2003年已发展至13万辆。经过多年的实践，于2003年上市的新型车，采用了万变电压，使电机的电源电压提高了1倍达到了500V的高压，这样便可在小电流下供应电机以大电力；同时，PM电机也由33KW加大至50KW，还有在刹车时将电机改作发电机，用以将制动能转换为电能后供电池贮存，以更好地发挥节能作用。

    另外，今年对低铁损、高磁感电工钢板新开发产品的性能比老产品也有所进步，即在同样铁损条件下，磁感普遍提高，具体对比如表1。

    表1 电工钢板（板厚为0.35－0.50mm）的性能对比

    进一步提高电机铁芯性能的改进   

    电机转子、定子的铁芯是将电工钢板用冲床按铁芯形状冲剪加工后叠层固定而制成的。在生产工序中要经过以冲剪为首的焊接、压合嵌紧等多种加工，由此给电工钢板带来形变和残留应力并使铁损增加。据此，在了解了通过退火措施去除形变有利于降低铁损后，也通过控制晶粒直径，细化晶粒的途径减少形变等。   

    最近，在电工钢板的冲剪加工方面也在改进，即将铁芯分成几个小片，冲剪后再分片绕上线圈后组装，这样线圈在电机体积中的比例则上升。以定子的线圈凸部为例，由于它正是磁通的集中处而使磁性得到改善，因此对电机整体性能提高也有利，现正对该凸部的形状和尺寸改进研究中。如本田产的混合动力车的驱动电机，其定子铁芯的小片就是通过按有利磁通流向的形状冲剪加工而提高了其磁性。一般无取向电工钢板因认为特性和方向无关，在冲剪加工时多考虑以提高材料的利用率优先。为此，应对定子各部位的磁感和方向进行详细分析，以便采用最佳的冲剪方式。经初步研究，在铁芯凸部方向（电机直径方向）和电工钢板的轧制方向一致的情况下实施冲剪加工时，有利于改善其磁性和效率。   

    提高电机设计自由度的可能性   

    驱动电机比发动机的优越性在于对转矩变化的适应性快因此控制性较好；另外电机采取分散配置也不会过度提高成本，因此也可以采用四轮单个驱动，按照这个思路可充分发挥电机特性和车轮直接连接，并实现了传动效率高、可控性好的四轮独立驱动方式，使不少传动部件被简化，利用空间也相应的增大。还有利用配信号线技术进一步扩大设计自由度的，即将原机械传动以电气信号代替，使操作装置可自由配置，并可以精密控制而提高运行控制。2005年在东京召开的汽车展上展出的日产的EV“Pivo”，其座舱和机械分开可实现前后180°自由旋转；另外所用电机为超级电机，即1个电机可对左右两个轴分别独立传动和控制，从而使四轮独立驱动车改由两个电机驱动并因此实现了小型化。   

    该电机的结构也很特殊，在定子的内、外各配有一个转子，并具有每个转子的控制系统。另外为解决一个定子驱动两个转子时各转子间的转矩干扰的问题，该电机通过设计改进各转子的磁铁对数而形成非干扰状态，这在世界上尚属首创，但转子和定子仍用常规的电工钢板。   

    通过材料最佳化以实现高性能   

    庆应大学正开发的EV，时速达370Km，电机输出功率达640Kw，为8轮独立驱动式，使装置大为简化而可用空间加大。该驱动电机为使用钕铁硼永久磁铁的SPM电机，为降低汽车高速行驶下电机的发热量，除了采用有利降低铁损、铜损的高绝缘性材料于线圈间和铁芯用高效电工钢板外，转子表面压磁铁用的铝也改用了导电差的不锈钢。由此在通过选材抑制了各项损失的同时实现了高输出功率。