日本开发的复合驱动型汽车电机用高效电工钢板,适合于小型高效电机使用,该产品已用作美国复合驱动型汽车的铁芯。日本新开发的27SXH电工钢板厚度为0.27毫米,可供卷线圈之用,和原来厚度为0.35毫米~0.5毫米的电工钢板相比,具有同等的磁感,因其厚度较薄从而使得钢板内部铁损减少30%~60%。
该产品主要是在钢中加入了特殊元素以控制电工板结晶的取向,使电工板在厚度减薄的同时磁感不下降,从而适用于小型高效电机的制造。复合驱动型汽车需要电动机尽量做到小型化。HEV和FCEV等电动汽车(EV)的驱动马达代替以往汽油发动机的“心脏”部位,而电工钢板作为铁芯材料,对EV的驱动性能及燃费改善产生了很大作用。
EV驱动马达对电工钢板的要求
EV驱动马达启动时要求有高转矩与高转达速,及与实效燃费有关的在高运转情况下的高效率等。另外,窄小型马达需要小容量的电池驱动,其他用途的马达则要求小型轻量化及高效率化。为得到高转矩,马达绕组流经的驱动电流必须很大,同时绕组交流磁感要大,这就要求是工钢板具有高磁感,且要有较高的磁导率。另外,磁通密度大时,转子和定子的空隙变窄可有效降低磁阻,所以要求电工钢板加工性越高越好。
由于马达的小型化有利于增加转数,驱动电流的频率会相应提高,这就要求铁芯电工钢板在高频励磁下也应具有较低的铁损。定子高速旋转时,由于离心力增大,如果转子所使用的电工钢板的强度不足,将会对马达造成破坏甚至发生危险。特别是对在转子开孔处插入磁铁的IPM马达,保持和提高磁铁部分的强度非常重要。
为降低燃耗,高频驱动领域(中等水平的磁感和频率)的低铁损及高磁化至关重要。在HEV所用的驱动马达中,发动机切换时没有驱动电流,此时马达处于空转状态,为控制空转时的损失,需要降低铁损。
EV驱动马达用电工钢板
马达铁芯的原材料,除了电工钢板外,还有6.5%硅、Co-Fe合金、Ni-Fe合金等,但它们与电工钢板相比,很难满足EV驱动马达的要求。从实用性来考虑,可使用性能符合的无取向电工钢板(NO)或取向电工钢板(GO)。
影响NO磁化特性的主要因素有纯度、合金成分、结晶取向及晶粒尺寸分布等,把它们调整到最佳状态可达到EV驱动马达中磁化特性的要求。增加硅等合金成分,会增加电阻率,抑制钢板内的涡流损失,从而降低铁损。与此同时,为避免饱和磁感降低,必须考虑铁损与饱和磁密的平衡。钢板中残存应变与应力会导致内部磁畴复杂化,使铁损增加,造成磁化特性恶化。另外,板厚对铁损也有很大影响,减小厚度可抑制涡流损失,降低铁损,但如果样品太薄,铁损反而会增加。
支撑EV驱动马达性能的利用技术电工钢板原材特性是依据国际标准的测定法(IEC60404-2),在无应力状态、均匀的特定方向交变磁场、磁密波形为正弦波等的条件下测定的,但在实际中铁芯的使用状态还存在一些差异。在实际中造成铁损的主要因素有:磁芯构造与磁化特性的非线性使用磁密分布不均匀;铁芯的部分磁密伴随转子一起转动;因铁芯穿孔加工,铁芯内出现残余应力与应变;由于铁芯齿部之间卷组间隙的存在,存在高次谐波;因电源的变换器回路,造成时间的高次谐波;铁芯的励磁磁密与卷线电流产生的电流磁场重叠;铁损与铜损使铁芯的温度上升,受冷却方式影响,使温度分布不均;铁芯端部的铆接部位使叠层铁芯的绝缘短路,产生感应电流。
在以上造成铁损增加的因素中,应变与应力主要是在马达制造过程中引入的,对铁损增加的影响很大。在铁芯制造工序中因铁芯冲压加工穿孔,沿着铁芯的轮廓产生塑性变形。穿孔的铁芯用叠层固定,实行铆接及焊接后,这些铁芯中依然有残余应变应力。对铁芯进行消除应力退火,可消除应变和应力。
沿剪断端面与板厚同等大小的变量为强压缩应变,其余则为抗拉应力。由冲孔加工引起的残留应变对铁损的影响,与放电加工法制造的铁芯(加工应变可忽略)相比,相同形状的冲压加工冲孔后的铁芯铁损有所增加,但经过消除应力退火,铁损可降低到放电加工法同等材料以下。通过退火处理后,应力被释放,同时低牌号材料(50H470、50H1300)的晶粒长大,铁损比放电加工法还低。因冲孔加工所引起的铁损增加的机率,高牌号材(50H470)要比低牌号村更大些。
电工钢板弹性应力对铁损有着重要影响,压缩应力会使铁损显著增加。据推测,由于铁芯压入或热压时铁芯有较大的压缩应力,导致铁损大大增加。在铆接的位置,层间短路会导致铁损大大增加。
在最近的马达设计中,采用数值等解析方法可实现铁芯形状和励磁条件的最优化。为了得到高精度的铁芯性能,必须考虑铁芯的实际应用状态,同时由于电工钢板的磁性常常为非线性,为考虑应力下的磁性变化,必须从供人电工钢板磁性的数值数据库入手解决。另外,为提高数值计算精度,必须与计算结果直接对比来进行可能的铁芯铁损的直接评价,新日铁开发了“旋转铁损模拟装置”,通过这套装置,可以进行从一片到数片铁芯的叠层状态下的铁损测量,用于评价马达性能。
EV驱动马达的小型轻量化和高效率化对马达铁芯材料的电工钢板提出多方面的要求,开发的重点是根据EV驱动马达的铁芯设计及加工方法来选择与EV的驱动方式相吻合的电工钢板。同时,应大力研究电工钢板的利用技术,使用作铁芯的电工钢板性能不发生恶化。