电工钢板用于电动（EV）和混合（HEV）汽车驱动马达的铁芯材料，将显著影响HEV/EV功能。为实现驱动马达的小型轻量化、高效率化，对电工钢板提出了各种要求。为实现这些目标，在开发适当性能电工钢板的同时，还要开发电工钢板的相应利用技术。
1、前言
1997年世界最早批量生产混合电动汽车（HEV），2002年12月日本开发并投入使用电动汽车（EV）驱动马达（以下称为EV驱动马达）。这种马达代替以往发动机驱动机构的心脏部位，以电工钢板作为铁芯材料，使EV的驱动性能和燃耗得到改善，成为具有重要贡献的功能材料。以下介绍使EV驱动马达实现高性能化的电磁钢板的最新材料和利用技术。
据最新报道，美国2010年将制造25万辆混合汽车，2025年将制造150万辆混合汽车投放市场销售。
2、混合/电动汽车驱动马达用电工钢板
2.1 EV驱动马达对电磁钢板的要求
EV驱动马达具有表1所示的各种马达特性。每种类型都有不同功能，目前正在生产的永久磁铁型同步马达（PM马达）用在HEV上。以PM马达为例说明对电磁钢板的这种需求，但是其它类型的电机对电磁钢板也有同样的需求。
表1：EV驱动用马达的种类与特性
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马达类型
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DC
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感应
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同步（MP）
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开关电阻
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马
达
性
能
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最大效率（%）
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85～89
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94～95
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95～97
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＜90
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效率（负载10%）（%）
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80～87
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79～85
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90～92
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78～86
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最大转数（rpm）
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4.000～6.000
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9.000～15.000
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4.000～10.000
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＜15.000
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成本/力矩（$/kW）
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10
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8～12
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10～15
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6～10
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成本控制
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1
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3.5
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2.5
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405
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刚性
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好
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最好
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好
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好
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可靠性
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好
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最好
|
好
|
好
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EV驱动马达所要求的驱动力特性和作为铁芯所使用的电磁钢板要求的特性如下：
①反映在马达铁芯所用电工钢板需要的性能上；
②EV牵引马达必须具有启动时高扭矩，在最高汽车速度下具有最大旋转速度；
③在最好燃效下的驱动范围内最大频率下具有最高效率；
④EV牵引马达安装在汽车狭小空间，并以很小电池驱动；
⑤EV牵引马达预期具有袖珍设计，小型轻量化、效率高。
为达到电机的高扭矩化，在增大电机线圈驱动电流的同时，增大与线圈交连的磁感很重要。要求相对于加在电工钢板上的磁场强度具有高磁感—高导磁率。另外，通过减小转子与定子的间隙降低磁阻以增加磁感是有效的，所以也要求钢板具有优良的加工性能。
为了降低燃耗，使用高频、低铁损和高磁化特性的部件至关重要。在HEV用驱动电机空转时，更要重视空转损耗，以降低铁损。
2.2 适用于EV牵引马达的电工钢板
除了电工钢板、6.5%Si-Fe合金以外，还有Ni-Fe合金被用于马达铁芯材料。
然而很少材料能满足EV牵引马达所需要的特性，因为电工钢板更经济、生产方法更简便。所以通常都使用无取向电工钢板（NO）制造马达的铁芯材料，也可使用取向电工钢板（GO）作为马达的铁芯材料。
用作马达的铁芯材料—无取向电工钢板的磁性受各种因素影响。EV牵引马达所要求的磁性是通过许多措施来实现，如净化钢质和控制合金元素、晶粒取向和晶粒大小。当合金元素，如Si增加时，钢的电阻就增加、涡流损失就被抑制，导致铁损降低，同时饱和磁感也降低。这是为了控制铁损和饱和磁感。如果钢板内部残存应力、应变，磁畴结构就变得很复杂，导致磁性恶化、铁损增加。厚度也严重制约着铁损，钢板的厚度越薄，涡流损失降低的越多，铁损就越小。如果钢板太薄，铁损反而增加。
2004年日本开发了电工钢产品新系列来满足EV驱动马达的需要。图1表示所开发的高效电工钢产品铁损与磁感的关系。由图可见，与传统材料50H系列和35H系列比较，铁损变化不大，但磁感增加很多。
图1：开发的高效电工钢产品铁损与磁感的关系
图2表示高频下低铁损的薄规格产品与传统的0.5mm和0.35mm比较，材料减薄，可抑制磁化力H10/400恶化，同时可减少P10/400的降低。
图2：高频下薄规格电工钢HTH系列的磁性
2.3 支撑EV牵引马达性能的使用技术
依据国际标准电工钢规格的测定法（IEC 60404-2）的材料特性是在无应力状态、均匀的特定方向交变 、磁感为正弦波测定。但是实际上铁芯的使用状态却有许多不同点，具体区别如下：
1）因铁芯构造和磁化特性的非线性，导致磁感不均匀；
2）伴随转子的旋转，使铁芯部分磁感旋转；
3）伴随铁芯冲压加工，使铁芯固定，发生残余应力和变形；
4）由于铁芯齿间的线圈槽存在，存在高次谐波；
5）由于电源的反相器回路，存在时间高次谐波；
6）磁铁产生的励磁磁感和线圈电流产生的电枢磁场重叠；
7）由于铁损和铜损引起铁芯温度上升，根据冷却方法的不同发生温度分布；
8）由于铁芯端面的接触或铆接，在叠层铁芯的绝缘短路部位产生感应电流流通。
以上这些因素都导致铁损上升，这些铁损比材料铁损显著的情况，即使把材料换成低铁损的电工钢板，铁芯的铁损也不会改变。
在上述3中，在电机制造工序钢板引入应力、应变，对铁损的影响很大。因此采用消除应力退火的方法来消除冲压、焊接、铆接等的应力、应变。
3、高导磁率薄规格无取向电工钢板的开发
日本为配合混合汽车开发的需要开发了高频高导磁率薄规格无取向电工钢板。该钢板的成分是：C＜0.0020%、Si＜0.8%、Al＜0.35%，厚度规格为0.20mm、0.35mm、0.50mm。工艺过程包括，热轧板退火，控制织构的冷轧，脱碳退火，消除应力退火，对最终厚度0.20mm的钢板得到磁感B50：1.76T。在磁感1.0T，频率分别为400Hz和1000Hz下的测定的铁芯损失W1/400和W1/1000分别为15.7W/kg和57.9W/kg。随后，开发了3.0%Si的电工钢板，实验结果表明，该高频高导磁率薄规格无取向电工钢板适宜用作声频（量）控制放大器的铁芯材料，尤其适宜用作电动汽车的马达材料。
3.1材料实验
在真空感应炉中冶炼，铸造成钢锭，成分为，C：0.0017%、Si：0.75%、Al：0.29%、Mn：0.31%、S：0.004%。钢锭热轧，热轧板控制织构的850℃退火，接着冷轧到0.2mm、0.35mm、0.50mm，在730℃×2min、25%H2+75%N2保护气氛中再结晶退火，将钢板剪切成宽度30mm×长度280mm的试样，在750℃×2h、100%N2保护气氛中消除应力退火。用25cm艾泼斯坦方法测定频率50～2000kHz范围B-H、B-W和B-I的磁性。
为了比较，在实验室还制备3%Si-1%Al最高牌号的钢板0.35mm和3%Si、0.5%Al的0.2mm的钢板。
3.2 结果与讨论
首先研究了成分0.75%Si-0.3%Al的钢板厚度对磁性的影响。可见钢板厚度对对磁感影响不明显，0.2mm的钢板B50=1.76T，0.5mm的钢板为B50=1.77T。
图3为在频率50Hz、200Hz、400Hz、1000Hz下厚度与铁损的关系。总铁损包括涡流损失和磁滞损失，涡流损失是经典涡流损失与反常涡流损失的总称。在无取向低Si钢板中，经典涡流损失在总涡流损失占主导作用，而反常涡流损失占很小部分。在该研究中，磁滞损失Wh和涡流损失We是从50Hz～1000Hz的频率下分离出来的。
图3：新开发材料在频率50Hz、200Hz下厚度与铁损的关系
在高频下涡流损失占主导地位，其次是总损失，磁滞损失和涡流损失随厚度减薄逐渐降低。在高频下由于厚度降低铁损显著降低。例如厚度从0.5mm减薄到0.2mm，铁损W1/1000减少67%。磁滞损失几乎不受厚度的影响，涡流损失随厚度的减薄而降低。涡流损失正比于厚度的平方，与涡流损失中的经典损失完全偶合。其次，织构控制对降低铁损的影响在0.2mm钢板得到验证。图4表明有无热轧板退火的织构控制与铁损的关系。涡流损失几乎处于同一水平。恰恰相反，钢板的磁滞损失在热轧板退火的情况下400Hz接近17%，在不退火的情况1000Hz接近10%。因此，织构控制有效降低磁滞损失，也降低总损。
图4：有无热轧板退火的织构控制与高频下0.2mm厚度钢板铁损的关系
按照这些结果，新开发的材料的磁性与那些普通3%Si钢相当。表2所示上述含有0.75%Si-0.3%Al、厚度0.2mm的典型磁性；3.0%Si-1.0%Al、厚度0.35mm（相当于最高牌号35A230）的典型磁性；以及普通材料3.0%Si-0.5%Al、厚度0.2mm的典型磁性。
表2：新开发与普通无取向电工钢板的典型磁性比较
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材料
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厚度（mm）
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电阻率（10-8Ωm）
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铁损（W/kg）
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磁感（T）
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|||
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W15/50
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W10/400
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W10/1000
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B10
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B50
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|||
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新开发（0.75%Si-0.3%Al）
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0.20
|
27
|
2.69
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15.7
|
57.9
|
1.61
|
1.76
|
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普通3%Si（相当于35A230）
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0.35
|
57
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2.05
|
16.2
|
71.7
|
1.46
|
1.65
|
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普通薄规格3%Si
|
0.20
|
51
|
2.38
|
12.4
|
47.4
|
1.47
|
1.66
|
磁性与普通3%Si、0.35mm钢板新开发材料在400Hz几乎相同，但在1000Hz降低20%。这主要由于厚度减薄。另一方面，新开发材料比普通0.2mm材料高出20%，原因是新开发材料励磁有较低的电阻率，结果提高涡流损失。
图5表示新开发材料与普通材料在1.3T、1.6T，400Hz下测量的1000A/m磁感和均方根（RMS）激励电流。表明新开发材料为了获得高的磁感水平要求最低的均方根励磁电流、降低铜损。从实际应用的观点出发，新开发材料由于降低变压器和高速马达的铁损，尤其提高高频区域的效率。与此同时，减少马达体积、提高扭矩、适应各种各样的电力需求，降低励磁电流和提高磁感。
图5：新开发材料与普通材料在400Hz 下测量的磁感和均方根激励电流
总之，新开发材料高磁导率、薄规格无取向电工钢，其钢的成分、处理条件、板厚要协调一致。发现新开发材料的磁性适合用作声频领域，如电动汽车马达的铁芯材料。
4、高频电工钢35RMHE300和50RMHE300应用与评价
4.1 模型马达用电工钢评价
铁芯材料对单相感应马达效率和可逆三相感应马达效率有着直接重要影响，如最佳的Si含量可以得到最大的效率。因为Si含量显著影响设计条件，如：旋转速度和磁感。在无刷DC马达中要求铜损更小、要求制作的马达体积更小。为了适应无刷DC马达所需要的铁芯材料川崎2003年开发了铁损低、磁感高的高效马达材料——无取向电工钢，并用各种品牌的无取向电工钢进行了模拟实验。
对定子铁芯材料用日本工业标准JIS无取向电工钢RM—低铁损、高磁感，对消除应力退火后的称为RMA，对低铁损、高磁感电工钢称为RMHE。表3所示实验的各种性能。
表3：所使用的定子铁芯材料的各种性能
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材料
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铁损，W15/50（W/kg）
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磁感B8（T）
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35RMHE250
|
2.07
|
1.71
|
|
35RMHE300
|
2.38
|
1.73
|
|
50RMHE300
|
2.40
|
1.71
|
|
50RMHE350
|
2.64
|
1.73
|
|
35RMA250
|
2.36
|
1.72
|
|
50RMA350
|
3.17
|
1.76
|
|
35RM300
|
2.39
|
1.68
|
|
50RM230
|
2.16
|
1.67
|
|
50RM400
|
2.86
|
1.71
|
|
50RM1300
|
5.16
|
1.77
|
注：实验用25cm艾泼斯坦试样（L+C）经过消除应力退火（750℃×2h，N2后）进行。
对于每一种马达类型，尺寸、星形接法形状固定和使用同一转子。
在实验中使用无刷DC马达的特性和驱动线路系统见表4。额定功率输出300W，转子表面安装永磁型稀土合金磁铁8极。
表5表示用额定输出功率400W可逆3相感应马达3相实验的性能。
表4：实验无刷DC马达的特性
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马达类型
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表面永磁型无刷DC马达
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额定功率
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300W
|
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输入电压
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48Vdc
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定子尺寸
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φ178（OD）×φ75（ID）×23（H）mm
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开槽数量
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12
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转子尺寸
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φ74×（OD）×23（H）mm
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极数
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8
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缠绕
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3相星形连接，4线圈/相
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表5：实验无刷DC马达的特性
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马达类型
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可拟感应马达
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额定功率
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400W
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输入电压
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120V
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定子尺寸
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φ140（OD）×φ84（ID）×66（H）mm
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开槽数量
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36
|
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转子尺寸
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φ83×（OD）×66（H）mm
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极数
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6
|
|
缠绕
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3相星形连接
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4.2 无刷马达用电工钢的评价
电工钢的性能对无刷马达性能的影响如下。
图6表示无刷DC马达铁损与最大效率之间的关系（试样为环状，无负荷选抓速度为2000rpm）。
图6：无刷DC 马达铁损与最大效率之间的关系
该图表明无刷DC马达的最大效率完全取决于铁损。二者之间的关系用如下（1）式所描述：
η=83.19+266.3/（W+15.8） （1）
（1）式中，η为最大效率（%），W为材料的铁损W10/400（W/kg）
最大效率是在旋转速度范围为1300～1500rpm和相当于同步频率（100Hz下）的旋转速度进行的。
这种关系用下述（2）式表达：
KT=0.144B50-0.0115 （2）
（2）式中，KT表示扭矩常数（Nm/A），B表示磁感（B50（T））。
从表3的结果表明，RMHE要比其它材料制造的马达效率高，新开发材料0.50mm、0.35mm的马达效率分别高出1%、3%。
铁损分析很重要，因为在恒定的功率输出下马达效率由（3）式表达：
马达效率+功率输出/（功率输出+损耗） （3）
（3）式中的损耗包括：铜损、铁损、机械损失、杂散损失，它们很难与铁损分离出来。
图7表示无刷DC马达磁感与扭矩之间的关系。为了弄清楚钢板厚度对马达效率的影响，应用35RMHE和50RMHE（分别是0.35mm和0.50mm退火后）材料制造的马达的效率图谱的比较，表明铁损W15/50几乎相同。尽管两种马达没有很大差别，单在低速旋转情况下，还是薄规格材料的效率高些。35RMHE300的材料随旋转速度增加，效率增加。所以35RMHE300的材料在低扭矩下呈现高效率。
图7：无刷DC 马达磁感与扭矩之间的关系
4.3 感应马达用电工钢评价
铁芯材料性能对马达效率的影响如下：
图8表示使用不同类型的电工钢作为铁芯材料的铁损与感应马达最大效率的关系。该图表明退火铁芯退火后的感应马达最大效率。随铁损降低，最大效率提高，可以制造体积小、效率高的马达。
图8：可拟驱动感应马达最大效率与钢板铁损W15/50之间的关系
图9表示用50RM400装备的转换驱动感应马达转数与铜损和铁损的关系。
图9：用50RM400 装备的转换驱动感应马达转数与铜损和铁损的关系
5、开发建议
电动汽车因其节能、绿色、环保的特点深受人们的欢迎，世界各国都在研发推广，但仍不能满足市场需求，应加开发大力度。首先，开发高性能电工钢板，适应高强度、高频、薄规格的需要，减少噪音、具备高磁感、低铁损。其次，强化铁芯马达在电动汽车上的适用评价力度，以便对同类型汽车使用相适应的电工钢板。
TNC编辑部整理
