1 前言
电动汽车是1873年由英国人发明的，因此电动汽车的历史要比燃油汽车早12年。从十九世纪末到二十世纪初电动汽车的生产量不断增加，1990年美国生产汽车的40%是电动汽车，可是由于后来燃油汽车大量生产，电动汽车则从汽车市场消失。但是，从20世纪90年代起人们开始从保护地球环境的角度重新审视电动汽车，大学、企业对电动汽车进行了大量的研究开发，于是出现了许多实用化且颇具魅力的电动汽车。
说到电动汽车，人们或许有加速性能和最高速度赶不上燃油汽车的印象。实际并非如此，例如日本庆应义塾大学开发的Eliica电动汽车最高速度达到370km/h，从启动到160km/h只需7.2秒，其性能超过了市售赛车。实际体验过高性能电动汽车快速加速过程的人会认识到对原有电动汽车的那些印象已经变为历史。
电动汽车的高性能化在很大程度上是依靠电池和马达等关键部件的飞速发展。例如，镍氢电池、锂离子电池等高能、高功率电池的开发，促进了一次充电行驶距离的大幅度提高，同时改善了加速性能。在马达方面，开发出利用磁阻转矩的高转矩技术、高密度卷线技术、高精度控制技术等多种技术，以及磁铁的高性能化，使马达实现了小型化和高功率化。
电工钢板和磁铁同样是影响马达性能的关键材料，因此开发出了适应马达要求的各种各样的电工钢板。本文简要介绍电动汽车马达以及马达铁心材料电工钢板要求的性能，同时介绍对应这些特性开发出的电工钢板的性能，并说明使用这些材料时应注意的事项。
2电动汽车的驱动方式
根据马达配置的方式可将只由马达驱动的汽车即所谓的完全电动汽车分为三类。(a)类是将原来汽车发动机换成马达而成的，基本上是利用了原有汽车的传动系统；(b)类是无差动齿轮，用马达驱动各后轮，传动系统简化并可对各个车轮进行动力分配；(c)类是将马达组装在轮箍中的轮内马达方式。其优点是可以扩大车内空间，并拓宽设计的自由度，可使电池装在座席下面，是特别适用于小型车的驱动方式。这些驱动方式都可以使用齿轮传动或无齿轮传动。其中无齿轮传动方式，为保证转矩要求马达大型化，由于齿轮的机械能量损耗减少，所以是一种高效率的传动方式。
3电动汽车马达铁心材料应有的性能
电动汽车驱动马达种类很多主要有DC马达、感应马达、磁阻马达等。特别是混合动力电动汽车配置了多个永久磁铁型同步马达（PMSM）。电动汽车的马达要求：启动时具有大转矩、为达到最高速度时的高转数、以及与节能有关的高效率。此外，由于驱动马达是靠安装在狭小空间的小容量电池来驱动的，所以要求驱动马达应该比其它用途的马达更加小型轻量高效率化。
为使马达实现大转矩，增大流经马达线圈的驱动电流是十分重要的。对于电工钢板来说，则要求对应所给磁场强度具有高磁通密度，即具有高导磁率。增加磁通量的有效方法是降低磁阻，为此，就要求电工钢板具有高的加工精度。
为实现马达的小型化，可以增加马达线圈的转数，但由于驱动电流频率增加，就要求电工钢板在高频励磁电流下具有低铁损。此外，伴随高速旋转，会有很大的离心力作用在转子上。因此，用于转子的电工钢板不仅要低铁损，而且要具有高强度。特别是，在转子上开孔并插入磁铁的IPM马达，保证固定磁铁部位的强度是非常重要的问题。
为有效地降低能源消耗，应当提高马达常用驱动范围（中等程度磁通密度和频率）内的磁化特性和降低铁损。此外对于混合动力电动汽车的驱动马达来说更重要的是降低铁损。这样，在切换为发动机驱动时，可以减少马达在没有电流情况下的空转损耗。
4 电动汽车用电工钢板
4.1高转矩马达用高磁通密度电工钢板
为了满足上述对电动汽车驱动马达的性能要求，开发出马达铁心用高性能无取向电工钢板。为实现无取向电工钢板的高性能化，主要有晶粒取向控制、晶粒大小控制、钢的高纯度化和减少钢板内部的应力等方法，通过这些方法来提高电工钢板的磁化特性，降低磁滞损耗。通过冷轧– 再结晶工艺可以控制晶粒取向。在冷轧变形带发生的再结晶使对磁性不利的｛111｝〈112〉再结晶受到抑制，而使对磁性有利的｛110｝〈001〉再结晶受到促进。此外，调整Si、Al等合金含量对电阻进行控制、优化晶粒直径和钢板减薄使涡流损失降低等也是重要的方法。
利用这些技术开发出高转矩马达用高磁通密度电工钢板。与传统电工钢板（JIS标准，0.50mm、0.35mm）相比，相同铁损（W10/400）情况下，开发钢的磁通密度（B50）大。相同磁通密度（B50）情况下，开发钢的铁损（W10/400）小，可以预期新开发钢将会促进马达的高转矩化和小型化。
4.2高频马达用电工钢板
4.2.1薄电工钢板
为使电动汽车马达小型化和高功率化，使马达能够高速旋转是有效的方法。为此，预期将采用不用齿轮的直接传动的高转矩型马达。另外，也将开发利用齿轮传动的小型高速马达。马达高速旋转时，铁心材料电工钢板的励磁频率会增大。因此，对高速马达用电工钢板特别要求具有低的高频铁损。电工钢板的铁损由磁滞损耗和涡流损耗构成。涡流损耗与频率的平方成正比，所以由于高频励磁使涡流损耗急剧增大。
为减少涡流损耗可考虑减薄板厚和增加固有电阻这两种方法。其中减薄板厚的方法不会导致饱和磁化下降，可以说是降低高频铁损的好方法。因此进行了薄电工钢板的开发。与传统电工钢板的最高级材料（板厚0.35mm）相比，薄电工钢板的铁损降低了25%～30%，而且频率越高铁损降低的幅度越大。
使用薄电工钢板降低高频铁损的效果不仅提高了马达效率，而且由于马达发热量减少，传递到永久磁铁的热负荷小，就有可能使用不含镝（Dy）等高价稀土元素的磁铁。
4.2.2高硅电工钢板
从1950年人们就知道添加Si可有效地提高钢的电阻，特别是当Si含量达到6.5%时，磁致伸缩几乎为零，并且导磁率和铁损都达到最佳值。但是随Si含量增加，钢板的伸长率会急剧下降，薄钢板的轧制变得困难。因此，过去最高级的硅电工钢板的Si含量控制在3.5%左右。近年来，开发出CVD法（化学气相真空镀层法）取代轧制方法制造高硅电工钢板。6.5%Si钢板已经可以批量生产。
表1是6.5%Si钢板的电磁学特性。6.5%Si钢板的铁损小于同厚度的取向电工钢板，特别是非常小的磁致伸缩成为这种钢板的特征。此外，与非晶态材料相比，6.5%Si钢板的热稳定性和磁致伸缩都具有优势。
表1 6.5%Si钢板的电磁性能
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材料
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板厚
（mm）
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饱和磁化（T）
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铁损（W/kg）
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最大导
磁率
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磁致伸缩
λ10/400（×10-6） |
|
|
W10/400
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W1/10k
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|||||
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6.5%Si钢板
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0.10
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1.80
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5.7
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8.3
|
23000
|
0.1
|
|
3%Si
取向电工钢板
|
0.10
0.23
|
2.00
2.00
|
7.2
7.8
|
18.3
30.0
|
24000
92000
|
-0.8
|
|
3%Si
无取向电工钢板
|
0.20
0.35
|
2.00
2.00
|
10.4
14.4
|
24.0
33.0
|
15000
18000
|
7.8
|
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Fe基非晶态
|
0.025
|
1.50
|
1.5
|
3.0
|
300000
|
2.7
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6.5%Si钢板的高频铁损小、噪音小，所以被广泛用于高频扼流圈等部件，这种钢板也具有高速马达铁心材料所要求的良好性能。
另外，还进一步开发出利用CVD法制造的倾斜磁性材料，这种材料的表面具有的高浓度Si，使高频铁损降低。在10kHz以上的频率范围，倾斜磁性材料的铁损明显小于6.5%Si钢板的铁损。其原因是Si的最佳分布使涡流损耗下降。
4.3高强度电工钢板
在高速马达转子材料为无取向电工钢板的情况下，要求电工钢板具有低的高频铁损，同时还要求电工钢板具有高强度来承受高速旋转时的离心力。与传统电工钢板（JIS标准0.50mm、0.35mm）相比，高强度电工钢板W10/400铁损的增加量减少到最小程度，而屈服强度提高到传统电工钢板的2倍以上。
钢的强化方法有固溶强化、细晶强化、析出强化、复合组织强化，加工强化等。其中固溶强化对钢的磁学性能的不利影响最小。在常规的3%Si电工钢中，添加P、Mn、Ni进行固溶强化时，对钢的铁损和磁通密度的不利影响很小，而屈服强度增加。伴随着屈服强度和抗拉强度的增加，疲劳强度也增加，这对无数次反复进行启动和刹车的电动汽车驱动马达是十分重要的。一般来说，钢材的疲劳强度达到抗拉强度的50%，就可认为是不错的了，而无取向电工钢板的疲劳强度可达到抗拉强度的70%。高强度电工钢板也具有与无取向电工钢板同样的高疲劳强度。
5使用电工钢板时的注意事项
电工钢板一般是用冲片的方法制成马达所需的形状，然后用铆接或焊接的方法将大量的电工钢片固定，再用螺栓紧固，然后进行热压装配固定到框架上。这一系列的加工和固定操作将应变引入到电工钢板材料之中。因此，一般情况下，马达的铁损会大于根据爱泼斯坦实验测出的材料特性推断出的铁损。另外，旋转铁损和高频电流的存在也是造成原材料铁损和马达铁损差异的原因。也就是说，必须考虑铁损的装配因素。在马达设计和马达制造工艺中设法减小铁损装配因素，将关系到马达性能的提高。下面介绍在马达设计时应注意的主要的铁损装配因素。
5.1冲片应变的影响
电工钢板经冲片制成马达铁心，所以了解冲片引起的性能变化是十分重要的。在冲片状态下，当冲片宽度变窄时，在中等磁场强度区磁通密度下降。随着冲片宽度变窄铁损增加。这种磁通密度下降和铁损增加的原因是冲片时在电工钢板内产生塑性变形和塑性变形引起的弹性应变。为了消除冲片导致的性能下降，消除应力退火（SRA）是有效的方法。进行SRA后，低中磁场区的磁通密度增加，铁损下降。
5.2热压装配的影响
进行了弹性应力对无取向电工钢板铁损影响的研究，结果发现当受到压缩应力时，在各个磁通密度下铁损都显著增加，而且越是在低磁通密度区铁损增加率越大。这是因为磁化曲线竖立部分即磁畴壁移动过程容易受到应力应变的影响。为将铁心固定在马达壳体内要用压入或热压装配的方法。因此，可以推断这时在固定铁心内形成的残余应力会使马达的铁损增大。反之，沿着磁化方向附加拉伸应力会使磁畴壁容易移动，从而改善磁化曲线竖立部分的形状，因此，会降低铁损。对变压器铁心材料取向电工钢板附加皮膜张力，就是利用这个原理。
将铁心压入或热压装配到马达壳体导致的铁损增加，不仅是应力应变引起的磁滞损耗的增加，还有涡流损耗的增加。这是因为，应力应变的影响促进了铁心内磁通分布的不均匀程度。
5.3旋转铁损的影响
由于磁场在马达丁字铁根部发生旋转，所以产生了旋转铁损。爱泼斯坦法只能评价交变铁损，所以在考虑实际马达的铁损时，对不同材料的旋转铁损进行评价是十分重要的。研究了35A230的旋转铁损，结果表明，在磁通密度1.7T以下的范围内，旋转铁损大于爱泼斯坦法测定的交变铁损。特别是在完全的圆磁场（C/L=1.0）时，旋转铁损增加到交变铁损的2倍左右。因此，在进行马达设计时应当努力减少旋转磁场的成分。
5.4层间短路的影响
用铆接或焊接方法紧固马达铁心时。层叠的电工钢板容易发生层间短路。当发生2个以上的短路时，在短路端和电工钢板之间形成了闭合回路。当存在着该闭合回路的交链磁通时，就有短路电流流过，于是产生了涡流损耗。层间短路引起的涡流损耗量取决于短路部位的电阻，短路部位的电阻小，涡流损耗增加。
铆接或焊接造成的短路部位电阻的实际测量值见表2。在焊接情况下，短路部位电阻的计算值与实测值一致。铆接情况下的短路是由于接触而形成的，短路面积各不相同。根据短路面积求出的短路部位电阻的预测值小于实测值，由此可以推断接触电阻的影响较大。因此，短路部位电阻因紧固方法不同而不同。焊接法的短路部位电阻小于铆接法，导致的层间短路涡流损耗较大。
表2 铆接和焊接的层叠铁心层间短路电阻
|
紧固法
|
大小（mm）
|
深度
（mm）
|
rs
(Ω/m)
|
概算值
|
板厚
（mm）
|
电阻率
（μΩcm）
|
|
V形铆接
|
0.8×2
|
1.5t
|
125
(约7 )
|
2.6
(约0.15 ) |
0.15
|
64
|
|
园形铆接
|
φ1
|
0.5t
|
15
(约5 )
|
0.32
(约0.11 ) |
0.15
|
64
|
|
激光焊接
|
2t
|
0.7t
|
2.5
（3.0）
|
0.35
（0.42） |
0.35
|
52
|
|
TIG焊接
|
宽度3
|
|
0.046
（0.050） |
0.046
（0.050） |
0.50
|
15
|
（）内的值是按接触电阻为0Ωm2时的形状得到的预测值；
概算值是换算成板厚0.5mm，电阻率15μΩcm时的值。
6小结
为适应电动汽车驱动马达高性能化，即小型轻量大功率化的要求，对马达的铁心材料电工钢板提出了多方面的要求。为此，开发出高效无取向电工钢板、薄电工钢板、高硅电工钢板、高强度电工钢板等新型电工钢板。另一方面，根据电动汽车马达铁心设计和制造以及行驶模式选择最佳电工钢板也是很重要的。此外，在电动汽车马达铁心设计和制造方面，如何降低铁损的装配因素，最大限度发挥新开发电工钢板的特性也对提高马达性能至关重要。
TNC编辑部整理
