“双碳”背景下新能源汽车电机用软磁材料发展趋势与应用现状

1 新能源车用驱动电机发展趋势

汽车承载着人类文明的进步,但也极大地消耗化石能源并严重污染环境。为实现《巴黎协定》目标,德国、法国、荷兰、挪威、英国及印度等国相继宣布了禁售燃油车的时间。中国作为一个负责任的大国,也承担着节能减排和保护环境的重任。截至2023年底,我国汽车保有量达到3.36亿辆,其石油消费和年排放污染将带来资源消耗和环境污染的双重压力,成为制约我国经济高速发展的两大瓶颈问题。国家在“十四五”规划纲要中将新能源汽车行业列入战略性新兴产业,大力支持行业发展,工信部、财政部、商务部等部门也相继推出利好政策,各级地方政府积极响应,因地制宜出台了一系列举措。研发具有高效率、高功率\转矩密度、宽恒功率范围和优异弱磁能力驱动的电机,是加快电动汽车发展步伐的关键技术手段。根据文献和公开报道[1],表1中总结了近二十年在新能源汽车电机行业具有代表性的电机具体参数。从表1中很难确定驱动系统的优劣,因为不同车型装载的电机数量存在差异。但是可以看到永磁电机占据主导地位,并且随着新能源汽车的发展,单电机的功率、转矩和转速持续提高。在2021年前,丰田普锐斯和特斯拉一直是驱动电机行业的风向标。早在1997年,日本的丰田公司就研发出第一款混合动力汽车Prius,该系列汽车驱动电机通过不断优化电机拓扑结构以获得更高的电机运行性能,至今为止,该系列汽车驱动电机已完成了4代产品的迭代,全部为永磁电机。而特斯拉掌握了大量的异步电机专利,但是随着竞争越来越激烈,驱动电机的性能要求越来越高,特斯拉也逐步应用永磁电机。二者统一的路线都是在不断提高电机转速,以达到更高的功率密度和转矩密度。作为汽车消费大国,随着“双碳”目标的提出,我国新能源汽车呈现出爆发式增长。华为、比亚迪、小米、蔚来和广汽埃安等众多企业对驱动电机的研究和制造水平已实现国际领先。

表1 近二十年驱动电机的发展
Tab.1 Development of drive motors in recent two decades

随着竞争的日益激烈,驱动电机的性能逐渐达到瓶颈。为此已经有企业在尝试使用新软磁材料代替传统的硅钢,例如小米公布的预研电机V8s采用超高强度硅钢,已实现转速达到27 200 r/min;广汽埃安也公布使用非晶纳米晶软磁材料使驱动电机的功率密度达到12 kW/kg。可见,随着驱动电机性能边界的不断拓展,基于传统无取向硅钢材料的电机优化设计难以满足驱动电机高速、高功率密度、高效率等性能要求及极端应用工况下的高适应性要求。而软磁材料作为电机制造的主要材料,其性能会直接影响到电机性能,应用更高性能的软磁材料成为应对驱动电机严格性能指标需求的一种重要手段,且随着交叉学科理念的发展,软磁材料的应用技术无疑越来越受到电机研发人员的关注[2]。

2 驱动电机对软磁材料性能的需求

电工钢(无取向硅钢)是迄今为止最常见,也是新能源汽车驱动电机最常用的软磁材料,占总软磁材料市场的76%。自电工钢问世以来,一直占全球钢铁产量的约1%。因此,大部分商用电工钢仍来自基本的炼钢渠道,而不是为了电机设备性能而优化磁性设计的。电机设计人员为了使电机性能更加完善,不断尝试新软磁材料的应用。

为了选择合适的软磁材料制作电机铁心,电机设计人员需要从电机实际应用角度出发,综合考虑材料铁心损耗、磁导率、屈服强度等物理特性与电机性能表现。图1为驱动电机性能需求和软磁材料典型性能对应关系。其中红色曲线为电机宽转速范围的转矩特性曲线,在低速时,驱动电机可以保持恒转矩运行,随着转速提高,电机功率不断增大。当转速达到额定功率后,电机恒功率运行,且随着转速的提高,电机转矩下降。

图1 电机与软磁材料典型性能对应关系
Fig.1 Typical performance relationship between motors and soft magnetic materials

低转速区域对应汽车的起步、爬坡等工况,该工况需要驱动电机提供足够大的转矩,因此需要软磁材料具有更高的磁感强度,能够有效提高电机的磁负荷,增大电机的输出转矩。当车辆处于加速状态,驱动电机转速不断提高,导致电机铁心所处磁场频率上升,此时由软磁材料引起的铁心损耗占电机总损耗比例逐渐增大,其中铁心的涡流损耗占比可达40%～70%。该工况需要软磁材料具有低损耗特性,以保持电机高效率,进而提高电能利用率,增加新能源汽车的续航能力。此外,电机的温升也与损耗息息相关,抑制电机高转速引起的铁心损耗可以避免电机内部温度过高导致的永磁体退磁、绝缘老化等电机可靠性和耐久性问题。当电机处于高速运行工况时,电机转子会承受巨大的离心力,这需要铁心具有足够的机械强度性能。因此,服役于高速驱动电机的软磁材料应该具有足够高的屈服强度和抗拉强度。此外,新能源汽车需要具有良好的噪声、振动与声振粗糙度(NVH)性能以提高车辆乘坐舒适度,这就要求驱动电机具有低振动噪声,除了优化电机模型和控制手段外,采用具有低磁致伸缩特性的软磁材料也是降低电机振动噪声的一种有效办法。

3 驱动电机用新软磁材料的研究和应用现状

新软磁材料的发展和应用是基于其性能优势,例如,将传统硅钢加工得更薄,可以减少电机的铁心损耗,提高效率。因此极薄硅钢的诞生满足了电机效率和转速越来越高的需求。电机高速化可以提高转矩密度,但是转子铁心会承受离心力,因此高强度硅钢也被持续研发。晶粒取向硅钢早已经成熟应用于变压器、互感器等磁路单一的电气装备中,与无取向硅钢相比,其轧制方向具有高饱和磁通密度、低铁心损耗及高磁导率的特点,因此尝试将其应用到电机中无疑会使电机性能大幅提高。近二十年非晶合金作为非硅钢类的新软磁材料也一直是高性能电机产业化的关注重点。因为除了其厚度只有0.02 mm,可以有效抑制铁心中的涡流损耗外,其内部长程无序、短程有序的非晶态结构使得其磁滞损耗也较小。极低的铁心损耗使非晶合金成为驱动电机厂和车企研发高效率驱动电机的首选目标。本节对上述4种新软磁材料在电机中应用现状进行具体介绍和分析。

3.1 极薄无取向硅钢材料

极薄无取向硅钢(厚度小于0.1 mm)是将普通硅钢片轧制得更薄以抑制电机的涡流损耗。在新能源汽车驱动电机高速化发展的趋势下,电机中旋转磁场的频率越来越高,这大大增加了电机的铁心损耗。当电机运行于高速工况时,电机铁心损耗中的涡流损耗占比大,而涡流损耗与硅钢片厚度的平方成正比,可以通过降低硅钢片的厚度达到抑制涡流损耗的目的。因此,采用薄规格硅钢材料制作电机可以有效降低电机在高频下的铁心损耗。本团队对5种不同厚度硅钢材料进行了磁性能测试,其铁心损耗特性曲线如图2所示。在相同频率下,较薄厚度的硅钢材料的铁心损耗更小,而且随着频率升高,薄规格硅钢的低损耗优势将更加明显[3-4]。

图2 不同厚度硅钢材料的损耗特性曲线
Fig.2 Loss characteristic curves of silicon steel materials with different thicknesses

在软磁材料中极薄无取向硅钢引起了大量电机设计人员的兴趣,SONG等[5]通过材料测试和磁场分析,验证了极薄无取向硅钢制作高速电机定子铁心的可行性。但由于其厚度极薄的特性,导致电机铁心的叠片系数、饱和磁通密度等都会受到影响,在电机设计过程中应该充分考虑这些问题。SATO等[6]通过磁性测量和磁场分析,论证了极薄无取向硅钢片(0.05 mm)作为高速电机定子铁心的实用性。ENOKIZONO等[7]设计研发了一款双轴向气隙磁通感应电机,定子铁心由0.08 mm极薄硅钢卷绕而成,减少了电机损耗并提高了效率。RONG等[8]采用极薄硅钢片作为氢燃料电池空压机电机铁心的材料,选择了0.05 mm和0.15 mm 2种不同厚度的无取向硅钢片进行对比分析,得出0.05 mm硅钢片电机的损耗性能和温升性能优于0.15 mm电机的结论。SODA等[9]提出了一种采用分段定子铁心的表贴式永磁电机降低铁心损耗的方法,定子铁心材料为0.08 mm极薄硅钢。根据当前研究现状,极薄硅钢应用的主要目的是减少铁心损耗,且极薄硅钢更适合卷绕工艺制作铁心。

为了更好了解极薄硅钢与普通硅钢的差异,本团队对1种0.05 mm厚度的极薄硅钢进行了研究,以0.27 mm硅钢作为对比对象,分析了极薄硅钢在应力、温度和磁场下的性能变化规律,并且在卷绕铁心的轴向磁通电机上进行了验证[10]。图3为常规0.27 mm无取向硅钢在1 T和800 Hz磁场下,铁心损耗受应力-温度耦合的影响变化曲线[11]。图4为极薄0.05 mm硅钢在1 T和800 Hz磁场下,铁心损耗受应力-温度耦合的变化曲线[11]。对比图3、4可以发现,在温度相同时,厚度不同的2种材料都受到应力的影响,且变化规律相同。一定温度下,随着压应力的增加,2种材料的铁心损耗均有所增加,而随着拉应力的提高,铁心损耗呈现先降低后增加的变化规律。因而可以确定在电机制造过程中引入压应力会使电机的损耗增加,而当存在拉应力时,控制应力值在0～80 MPa时会减少电机铁心的损耗。

图3 常规无取向硅钢在应力-温度-磁场耦合作用下铁心损耗性能变化规律
Fig.3 Change rule of core loss performance of conventional non-oriented silicon steels under stress-temperature-magnetic field coupling effect

图4 极薄无取向硅钢在应力-温度-磁场耦合作用下铁心损耗性能变化规律
Fig.4 Change rule of core loss performance of ultra-thin non-oriented silicon steels under stress-temperature-magnetic field coupling effect

2种厚度材料在磁场下的性能对应力-温度耦合作用的变化规律不仅具有一般性,还具有差异性。对比图3、4可以发现,与常规厚度硅钢相比,极薄硅钢铁心损耗对应力和温度的敏感性更小。这是因为在相同应力作用下,薄的硅钢会发生更大的变形,缓冲应力对材料内部晶粒产生的影响,因此极薄硅钢铁心损耗对应力的敏感性低于常规硅钢。而温度主要影响铁心损耗中的涡流损耗,极薄硅钢中涡流损耗占比远低于常规硅钢,因此极薄硅钢对温度的敏感性也低于常规硅钢。

在电机制造中,软磁材料经过冲压、叠片,最后铁心接入机壳,其中铁心与机壳最为普遍的接入方式是热套,这种方式会对铁心产生较大的压应力,根据材料研究可以证实,该方式下铁心损耗会发生严重劣化。而采用卷绕工艺制作铁心,在硅钢弯曲过程中硅钢片外表面会产生拉应力,内表面会产生压应力。卷绕工艺即使依然存在压应力,但是也存在相应拉应力,会极大缓解铁心损耗劣化。与常规硅钢相比,在相同弯曲程度时,极薄硅钢所受应力更小,因此使用其制作电机时,更适合采用卷绕工艺。

为了更直观表现极薄硅钢对电机的影响,本团队分别使用0.27 mm和0.05 mm厚度的硅钢设计了一款轴向磁通卷绕铁心电动飞机用电机,其电机效率MAP对比图如图5所示。由图5可以看出,随着电机转速的提高,极薄硅钢电机的效率逐渐大于传统无取向硅钢电机,其电机效率大于88.5%的区域明显高于传统无取向硅钢电机。此外,损耗的降低也可以改善电机的温升,如图6所示,应用极薄硅钢的电机最高温度仅为70.4 ℃,比常规硅钢电机的温度降低了14.6%,可以降低由电机高温带来的永磁体退磁和绝缘材料寿命降低的问题。

图5 电机效率MAP对比
Fig.5 MAP comparison of motor efficiency

图6 电机温升分布
Fig.6 Temperature rise distribution of motor

极薄硅钢是常规厚度硅钢的迭代和升级产品,其产业技术体系成熟,在电机中的应用与常规产品差别不大,因此极薄硅钢是应对驱动电机高速高频化的首要选择,但需要额外注意极薄硅钢的冲压、叠片和力-热-磁耦合作用下的性能差异性。

3.2 高强硅钢材料

目前,新能源汽车占有量在国内呈现爆发式增长,各车企致力于把驱动电机的性能做到行业最前沿。功率密度的提升,可以在输出功率需求不变的情况下实现电机尺寸有效缩小,或相同空间尺寸限制下,可提供更大的输出功率。提高转速是实现电机功率密度提升的重要方式,而转速的提升将对转子的材料及拓扑设计提出更严苛的考验,转子的“强度”将成为制约电机转速提升的重要因素。

高强硅钢是应对转子高转速下离心力的首选材料,是普通无取向硅钢通过固溶强化、细晶强化、位错强化、析出强化等手段制成的电工钢,其屈服强度比普通硅钢更高。图7为某钢厂0.35 mm厚度普通硅钢和0.35 mm厚度高强硅钢的应力-应变曲线,可以看出,普通硅钢的屈服强度范围为400～480 MPa,而高强度硅钢的屈服强度可超过600 MPa。图8为当转速为10 000 r/min时电机转子应力分布,此时转子受到最大应力值为417.36 MPa,使用普通硅钢将导致转子变形进而发生“扫膛”,造成电机故障。在不改变转子结构情况下,直接采用高强硅钢可以使电机转速提高17.2%,并确保电机安全可靠运行。随着驱动电机转速越来越高,转子受到的离心力也不断增大,因此,研究高强硅钢应用技术对驱动电机高速化发展具有重要意义。

图7 2种材料的应力-应变曲线
Fig.7 Stress-strain curves of two materials

图8 10 000 r/min转速下转子受力分布
Fig.8 Rotor force distribution at 10 000 r/min

然而无取向硅钢的铁心损耗、磁感强度是相互制约的,提高材料的强度可能会影响材料的磁感强度和铁心损耗值。为了推动高强硅钢的应用,本团队对相同厚度的普通硅钢和高强硅钢进行了研究,以协调磁性能与强度的矛盾。图9为普通硅钢和高强硅钢磁化曲线,高强硅钢材料的饱和磁感略低于同厚度的传统无取向硅钢材料。在铁心损耗方面,相同磁场条件下,高强硅钢的铁心损耗比普通硅钢更大,而且随着频率的升高,高强硅钢铁心损耗增加更加明显,普通硅钢和高强硅钢损耗特性曲线如图10所示。出现这种差异的原因是高强硅钢晶粒尺寸比普通硅钢小。细晶强化是比较常见的强化方法,通过晶粒的细化来提升金属材料的屈服强度。在无取向硅钢中,WANG等[12]对硅质量分数为3.2%的高强硅钢进行研究后发现,当晶粒尺寸为42 μm时,细晶强化对产品的屈服强度产生的增量约为85 MPa,但同时也会引起铁心损耗的升高。细晶强化导致硅钢铁心损耗升高的主要原因是在磁化过程中存在晶界等阻碍磁畴壁迁移的因素[13-14]。

图9 普通硅钢和高强硅钢磁化曲线
Fig.9 Magnetisation curves for conventional and high-strength silicon steels

图10 普通硅钢和高强硅钢损耗特性曲线
Fig.10 Loss characteristic curves for conventional and high-strength silicon steels

截至目前,致力于高强硅钢制备的JFE和新日铁公司已公布部分商业产品,其性能如图11、12所示。高速电机用高强硅钢的厚度普遍在0.35～0.5 mm之间。考虑到电机高效率的需求,0.5 mm高强硅钢已逐步淘汰,类如35JNE-S、35HST570Y等兼容高屈服强度及低铁心损耗等性能的高牌号无取向高强硅钢已经成为研发的主要目标[15-17]。针对下一代20 000 r/min以上的高速驱动电机,转子绝大多数会应用超高强高效电工钢,并主要依赖类似20HST570Y等超级牌号进行研发。在当前的电工钢市场中,传统的薄规格高牌号无取向硅钢产品典型屈服强度为400～480 MPa,典型抗拉强度为570～650 MPa,已不能满足部分新能源汽车驱动电机转子较高转速的要求。

图11 JFE高强硅钢性能
Fig.11 Properties of JFE high-strength silicon steels

图12 新日铁高强硅钢性能
Fig.12 Properties of high-strength silicon steels from Nippon Steel Corporation

近年来也有很多学者对高强硅钢电机的设计优化及性能表现进行了研究,例如,LIU等[18]研究了应用高强硅钢的内置式永磁电机,分析了高强硅钢的应用优势和限制。为了减小表贴式高速电机转子护套损耗,德国学者提出了一种非晶内置式转子结构的超高速电机[19],利用非晶的高机械强度和低损耗,使电机达到高功率密度和高效率。2020年,该学者继续将高强硅钢作为电机迭代更新的突破口,制作了1台功率达15.7 kW、峰值转速达125 000 r/min的样机[20],验证了高强硅钢同样是具有高屈服强度的硅钢。此外,新日铁的工程师将高强硅钢和普通硅钢分别应用到转子铁心中[21],对比内置永磁同步电机在不同隔磁桥宽度下的转矩特性和效率,尽管应用了高强硅钢的铁心损耗比传统硅钢高得多,但电机的效率略有下降。国内学者2020年应用高强硅钢制作内置式永磁同步电机,分析了高强硅钢替代传统硅钢的优点与局限性[18]。2021年,本团队采用0.35 mm厚度的高强硅钢进行了高速电机的研制[22],证明了使用高强硅钢可以减小转子隔磁桥的宽度,提高电机的转矩密度。2022年,本团队以宝钢的高强硅钢为研究对象,继续深入探究其在变温度、变应力、变频率下的磁特性以及力学特性[23-24]。研究结果表明,对多物理场下的材料特性进行优化可以提高电机设计的精确性。2023年小米汽车科技有限公司发布2025年将批量生产27 200 r/min高速电机,其转子也将采用960 MPa超高强度硅钢应对离心力问题。

与极薄硅钢相同,高强硅钢也是由普通硅钢衍生而来,并且主要针对驱动电机高速化所引起的离心力问题。高强硅钢制作高速转子简便,不需要额外工艺,是软磁材料在高速电机中应用的发展趋势之一。但是也存在一些问题,包括模具寿命、成本和磁性能兼顾等,例如当硅钢强度提高到800 MPa以上时,其铁心损耗会成倍增加。

3.3 取向硅钢材料

取向硅钢材料相比于无取向硅钢具有明显的高斯结构,其易磁化的<001>轴与轧制方向平行。无取向硅钢晶粒随机分布,因此,取向硅钢在轧制方向的磁性能优于无取向硅钢。但取向硅钢制造要求比无取向硅钢高,其硅含量高于无取向硅钢,而碳含量低于无取向硅钢。取向硅钢易磁化方向为平行于轧向的<001>方向,偏离该方向后磁性能会逐渐变差。取向硅钢主要分为两类,即普通取向硅钢和高磁感取向硅钢,两者主要差别在于磁感性能,其中,普通取向硅钢的饱和磁通密度在1.82 T以上,高磁感取向硅钢的饱和磁通密度在1.88 T以上。

本团队在10 000 A/m、400 Hz条件下,对取向硅钢和无取向硅钢不同方向磁感进行了对比,结果如图13所示。可以看出,沿轧制方向磁化时,取向硅钢材料的磁通密度最高,说明其磁导率高磁场放大能力强。但随着磁化方向逐渐偏离轧制方向,其磁通密度幅值不断下降。当磁化方向与材料轧制方向大于40°时,取向硅钢的饱和磁通密度低于无取向硅钢。因此,将取向硅钢材料应用到电机时,还需要电机设计人员充分考虑电机中磁场通过取向硅钢的方向。取向硅钢沿轧制方向的损耗特性曲线(B-P曲线)如图14所示,在不同频率下,取向硅钢的铁心损耗均小于无取向硅钢,而且随着频率的增加,取向硅钢低损耗优势更加明显,这有利于降低电机损耗,提高电机效率。

图13 取向硅钢和无取向硅钢磁化曲线
Fig.13 Magnetisation curves of grain-oriented and non-oriented silicon steels

图14 不同频率下取向硅钢和无取向硅钢B-P曲线
Fig.14 B-P curves of grain-oriented and non-oriented silicon steels at different frequencies

取向硅钢由于各向异性,被广泛应用于变压器、互感器和大型电机等磁路单一的电工装备中,近几年随着对驱动电机性能要求的提高,取向硅钢在驱动电机中的应用也逐渐发展起来[25-28]。

在轴向磁通电机中,TALEBI等和MA[29-30]设计了一款轴向磁通无轭模块化电枢(YASA)的轮毂电机。为了提高齿部磁通密度,定子使用了取向硅钢来实现高转矩密度、高效率以及低速大转矩,效果显著。为了缓解过载运行时铁心损耗过高的问题,WANG等和MA等[31-32]应用取向硅钢设计轴向磁通开关永磁电机(ALFSPMM),并利用其在轧制方向上优良的磁性能来改善其转矩特性,但出现装配困难的问题;GENG等[33]以无轭轴向磁通电机为研究对象,利用取向硅钢的各向异性能提高电机性能,其输出转矩提高3%,铁心损耗减小10%。在其他磁阻电机中,同样利用取向硅钢沿轧制方向的高磁导率与磁阻电机转矩相匹配特点,通过对定子齿部进行拼接提升峰值转矩和恒转矩范围[27]。部分取向硅钢在轴向磁通电机中的应用研究如图15所示。

图15 取向硅钢在轴向磁通电机中的应用
Fig.15 Application of grain-oriented silicon steels in axial flux motors

径向电机也逐渐青睐取向硅钢,并采用独特的拼接方法将其应用到定子齿部。MALLARD等[34]针对定子采用拼接分层设计,每层分割为6段,相邻层轧制方向不同,层间错位叠片、磁场分布以及电机短路实验表明电机总体损耗下降,但新电机仍需要重新优化设计。OZDINCER等和SON等[35-36]将取向硅钢应用到定子铁心中,通过采用5种不同的电机拓扑结构与样机进行对比。仿真结果表明,采用取向硅钢后电机反电动势失真率下降0.6%,输出转矩提高2.3%,损耗可降低54.2%,在同等输出转矩下实现了轻量化;在分数槽集中绕组电机中,研究学者使用分段取向硅钢定子结构,提供一种较为精准建模方式分析转矩提升的本质原因。通过二维有限元仿真与原型机进行比较发现:相同峰值电流下的电磁转矩提高4%,转矩波动从1.6%降低到0.6%。从磁路参数变化方面来说,拼接产生的寄生气隙对电机磁路影响较大,目前研究仍停留在仿真阶段[37-39]。GAO等和PEI等[40-41]将混合钢拼接方法应用到牵引电机中,并将取向硅钢与无取向硅钢在电机中的性能进行对比分析得知,采用取向硅钢拼接式定子铁心最大输出转矩可达195 N·m(提升4.3%),额定效率提升2.7%,峰值效率可提升1.5%。同样PEI等[42]基于金相实验观察到取向硅钢晶粒的特点,验证了取向硅钢拼接电机的良好性能。

随着研究的逐渐深入,HU等[43]开始研究齿轭拼接方法中两者拼接形状对于电机性能的影响,并得出圆形拼接是一种优选方案的结论,电机铁心损耗降低36.5%。REBHAOUI等[44]采用独特的爱泼斯坦测量结构对定子铁心中损耗进行分离计算,进一步研究不同拼接形状、拼接角度以及齿嵌入轭部深度对于整机性能的影响。结果表明,使用拼接齿可显著提高重载下的转矩,但如何在有限元方法中建立准确的材料模型仍需进一步研究。部分取向硅钢在径向磁通电机中的应用研究如图16所示。

图16 取向硅钢在径向磁通电机中的应用
Fig.16 Application of grain-oriented silicons steel in radial flux motors

对于取向硅钢在电机中的应用技术,本团队已经研发多台取向硅钢电机并制作样机,验证了实际条件下取向硅钢对电机性能的影响,部分样机制作过程如图17所示。在有限元仿真中可以发现,当齿部采用取向硅钢后磁通密度会显著增强,并且铁心损耗会明显降低,仿真结果如图18所示。主要原因是电机齿部磁场方向单一,当使用取向硅钢代替无取向硅钢后,轧制方向与磁通流动方向相同。取向硅钢高饱和磁通密度、高磁导率和低损耗的优势将会最大程度地发挥出来。根据电机理论可知,电磁转矩与电负荷和磁负荷成正比,在电负荷相同情况下,取向硅钢高磁导率和高饱和磁通增强了齿部磁负荷,进而将会提高电机的转矩密度和功率密度,并且这种优势在高负载时更明显。

图17 取向硅钢径向磁通电机制作过程
Fig.17 Manufacturing process of radial flux motors with grain-oriented silicon steel

图18 取向硅钢和无取向硅钢电机的对比
Fig.18 Comparison between motors with grain-oriented silicon steel and with non-oriented silicon steel

在实际电机测试时,控制2台电机转矩和输出功率相同,宽转速范围内2台电机性能对比结果如图19所示。可以看到取向硅钢电机的电流幅值更低,说明需要相同转矩时,取向硅钢电机电负荷更小,不仅电机的铁心损耗会因为取向硅钢降低,铜耗也会因为电流的下降而减少,因此取向硅钢电机的效率被提高。如果控制2台电机的电流相同,取向硅钢电机将会产生更高的转矩。

图19 取向硅钢和无取向硅钢电机的实测性能对比
Fig.19 Comparison of measured performance between motors with grain-oriented silicon steel and with non-oriented silicon steel

与极薄软磁和高强硅钢是普通无取向硅钢的衍生不同,取向硅钢与驱动电机的结合是一种新应用。此外取向硅钢产业体系成熟,在电机中直接应用即可有效实现电机性能的突破,因此具有行业颠覆性意义。然而在产业化过程中,取向硅钢驱动电机也存在一些问题,包括拼接引起的寄生气隙对电机性能的影响,各向磁异性的避免与利用和批量化生产工艺等。

3.4 非晶合金材料

与硅钢相比,非晶合金作为一种新软磁材料,凭借其高磁导率、低矫顽力和低损耗等优异的软磁特性受到国内外学者的广泛关注,并被称为21世纪绿色节能材料[45]。此外非晶合金材料以其极薄厚度(小于0.05 mm)和较高电阻率的特性可以充分抑制铁心中的涡流损耗,且其非晶态结构使磁滞损耗也较低。因此非晶合金的铁心损耗远小于传统无取向硅钢,将其应用于电机中可以大幅度降低电机的铁心损耗,提高电机的效率。非晶合金与驱动电机常用的0.3 mm厚度硅钢的铁心损耗对比如图20所示,2种材料的铁心损耗均随着频率的提高而增加。但即使在2 000 Hz磁场频率下,非晶铁心损耗依旧非常低,甚至低于常用硅钢在400 Hz磁场频率下的铁心损耗,可见仅更换电机铁心材料,就可以实现超高效率的电机性能。

图20 非晶合金和传统无取向硅钢损耗特性曲线
Fig.20 Loss characteristic curves of amorphous alloy and conventional non-oriented silicon steel

前文已经提到电机的转矩与电负荷和磁负荷成正比,当材料的饱和磁通密度低时会严重限制转矩。非晶合金材料的缺点是其饱和磁通密度仅有1.60 T左右,工作磁通密度一般小于1.5 T,普遍低于传统硅钢材料,两者对比曲线如图21所示。但是随着驱动电机的转速越来越高,即使非晶材料转矩较低,也可以实现高功率输出,具有代表意义的是广汽埃安2023年发布的1款“纳米晶-非晶”超高效电机,功率密度可达12 kW/kg。

图21 非晶合金和传统无取向硅钢材料磁化曲线
Fig.21 Magnetisation curves of amorphous alloy and conventional non-oriented silicon steel

非晶合金电机在产业化中比较少见,但是在学术界被广泛研究。ISMAGILOV等[46]研发了1台高速永磁发电机,其定子铁心由非晶合金制成,该电机工作转速为30 000 r/min以上,该电机的实测结果表明,与传统硅钢材料相比,非晶合金可使定子中的铁心损耗降低80%以上。2010年日本的日立公司制作了1台额定功率为200 W、额定转速为3 000 r/min的非晶合金轴向磁通永磁同步电机,该电机的定子采用卷绕法制作,因此在很大程度避免了加工工艺对非晶合金磁性能造成的不利影响[47]。仅仅1年后日立公司又开发了1种额定功率为400 W、额定转速为15 000 r/min的非晶合金无槽轴向磁通电机,使得效率进一步得到提升[48]。INOUE等[49]设计了1款合金内置式永磁同步电机并对其展开研究,分别将非晶合金和传统硅钢材料的磁性能数据代入有限元仿真软件后对仿真结果进行分析,结果表明,相比于传统硅钢电机,非晶合金电机铁心损耗可以降低60%以上。OKAMOTO等[50]采用非晶合金材料代替传统硅钢材料制作了1款永磁同步电机的定子铁心,并使用有限元软件对电机模型进行了铁心损耗仿真,结果表明电机铁心损耗被降低一半以上,并且制作了样机进行实测,验证了非晶永磁同步电机的性能和可行性。宋祎轩等[51]制作了2台相同结构的非晶合金电机和硅钢电机,发现使用非晶合金电机虽然可以降低铁心损耗,但是会加大绕组铜耗,经过结构优化,最终将非晶合金拓展到中低频电机领域中。佟文明等[52-54]研究了加工工艺、供电方式对非晶合金电机损耗和温升的影响,取得了很多成果。OU等[22]将非晶合金与6.5%Si应用于1台转速为125 000 r/min的内置式永磁同步电机进行对比分析,发现非晶合金性能易受加工的影响,当叠片系数为0.934时,其铁心损耗为非晶带材的4.6倍,多层黏接的非晶合金会降低其机械性能,例如20层黏接带材的强度仅为单片强度的40%。此外,与普通硅钢不同,非晶合金磁致伸缩系数很大,将非晶合金应用于电机时磁致伸缩振动噪声远超普通硅钢,因此研究非晶合金电机的振动噪声必须考虑非晶合金的磁致伸缩效应[55-56]。

本团队也曾对非晶合金材料在电机中的应用技术进行了研究,对比分析了定子铁心分别应用于非晶材料和传统硅钢材料的驱动电机性能。团队以一款30 000 r/min电机为参考,在相同设计方案下应用非晶合金材料后,电机最高效率可达97.52%,相比于传统硅钢材料电机,其最高效率提升了1.82%,高效区面积(效率大于95%的区域)增加了140%。非晶合金电机的制作过程如图22所示。

图22 非晶合金电机制作过程
Fig.22 Manufacturing process of motors with amorphous alloys

面对驱动电机的高速化问题,非晶合金是解决高频损耗,获得高效节能电机的有效手段。非晶合金是非硅钢类的新型软磁材料,其产业化应用目前得到了众多车企的关注。由于非晶合金具有超薄的特点,冲压和铁心成型工艺成为首要矛盾点,其次加工后非晶合金的铁心损耗劣化严重,因此退火工艺也成为新能源车企攻关的重点。

4 结 论

节能减排,完成“双碳”目标是我国重大战略目标,而交通电气化,大力发展新能源汽车可以加快这个过程。本文从新能源汽车用驱动电机的发展趋势出发,总结了近二十年驱动电机的发展方向,并简述了驱动电机不同运行工况对软磁材料的性能需求。面对驱动电机高速、高效、高功率密度的发展趋势,现有软磁材料的发展和新材料的应用势必成为电机突破性能瓶颈和技术创新的重要途径。针对新能源汽车驱动电机的发展趋势和软磁材料的应用现状,本文得出的主要结论如下:

1) 新能源车用驱动电机发展是以高转速方式来实现更高的转矩密度和功率密度;高速化引起的铁心损耗是实现高效率电机需要解决的问题,解决高速转子带来的离心力是实现高可靠电机的重要保证。

2) 驱动电机的发展要求软磁材料向高强度、低铁心损耗及高饱和磁通密度等更高磁性能发展;极薄硅钢、高强硅钢、取向硅钢和非晶合金有希望成为未来驱动电机的铁心材料。

3) 驱动电机的创新需要以软磁材料为代表的新材料在驱动系统中的应用和特异化设计来引领;解决电机与材料的多物理场共性问题是高性能电机设计和精准预测的前提。

来源：期刊-《沈阳工业大学学报》 2024年第5期；作者：裴瑞琳， 李志野， 李雨笑， 李军， 曾鹿滨；单位：沈阳工业大学电气工程学院；苏州英磁新能源科技有限公司创新科技部。