引言本文为年12月20日西莫电机论坛第17期在线研讨会精华整理版，由《西莫电机技术》主编hahafu整理汇总。研讨会主题：关于新能源汽车驱动电机所用硅钢材料的一些探讨主讲人：张舟老师（西莫论坛技术团队副队长；西莫ID：张老五；曾是国内著名钢铁企业的硅钢应用专家，现就职于某新能源汽车企业从事电机工艺制造技术）主要内容：1.新能源汽车驱动电机用材需求2.铁芯材料选材与使用问题探讨3.仿真和计算问题探讨1新能源汽车驱动电机用材需求1.1新能源汽车成为汽车行业的重要发展趋势要讨论新能源汽车驱动电机的用材，首先最主要的是要对新源车的需求进行略微的分析。新能源汽车驱动电机近几年是行业内的热点，新能源车包括纯电动、插电式混动、燃料电池，还包括太阳能等诸如此类的。据说前两天有个新闻，不知是否属实，说是插电式混动以后不算新能源车，算是传统燃油车。对今天所讨论的话题来说，我们所说的新能源车，是指由电机来驱动的，而不是由发动机来驱动。新能源汽车和传统汽车相比，有相同的地方，比如说底盘、轮胎、车身，这些没有什么本质性的差异。那么有一些，虽然说目前在新能源车上的应用可能会显得比较多，或者比较快一些，但是他从本质上来说，跟新能源也没有必然的联系，比如说现在很火的车联网、智能驾驶、甚至未来可能会实现的自动驾驶等等。1.2新能源汽车核心三电之一——驱动电机核心零部件:电机、电池和电控；电机关键材料：电工钢（硅钢）、永磁材料。新能源汽车和传统汽车相比有一些内容是不同的，或者说是有特色的，也就是我们经常所说的三电，所谓电机、电控、还有电池。1.3新能源汽车驱动电机的发展目标新能源汽车驱动电机将向着更高功率密度的方向发展上述图片大约应该是在三四年前，当时工信部和发改委出了一个规划，说是到年、年、一直到年，新能源车驱动电机要达到一个什么水平，乘用车提的是功率密度，而商用车提的是转矩密度。这个指标现在看来似乎是有一点保守的，但是作为一种指标性质或者方向性质的东西还是有意义的。特别是乘用车这几年好像发展还是蛮快的，很多目前量产或者是目前准备量产的乘用车已经达到了比如说4kW/kg这个水平甚至还有更高水平的。下面进入正题，我们来探讨一下新能源车对于电机、以及新能源车的驱动电机对于硅钢材料，有什么要求；这种要求跟传统电机或者说其他的电机有什么区别？1.4新能源汽车对驱动电机和铁芯材料的要求驱动电机的高功率密度、高效率是今后的发展方向那么我们从新能源车的要求和新能源车对电机的需求来说，一条条来解析。首先是动力性能。我们很多男生喜欢跑车，为什么喜欢跑车呢，追求那种推背感。那么推背感所反映在动力性能上面的话，首先反映就是发动机，或者说驱动电机他的高功率和高转矩特性。我们普通的车百公里加速可能是8秒或者是9秒，甚至如果动力性差点，可能要10秒。但是一般来说新能源车都能很轻松的做到7到8秒的百公里加速。而对于高性能版的可以做到4-5秒，也很轻松的；甚至对追求极致加速的人来说，比如说有些车有3点几配置可以做到两点几秒，那么这样的车往往都是百万美金起步价的豪车。具体到对驱动电机和铁心材料的要求来说，首先要动力强，也意味着电机的功率要大，转矩要大。反映到铁芯材料上，要想做大功率的电机，硅钢的损耗要低，导磁性要好。其次，新能源车由于电池是个又重又大的家伙，它占了很大的地方，所以说我们总是希望电机要做的小一点，重量轻一点。而为了实现电机又小又轻，对材料的要求就是要导磁性好，导磁性好才能把工作点设计的更高，才能得到更小的体积和重量。同样。目前的电池又贵又重，效率也不是很高，为了争取更大的续航能力，我们要求电机效率要高。而效率高对材料来说往往是一个综合性的要求，既要铁损低，也要导磁性能好。再次，车都做到百公里加速五秒了，最高车速跑好像有点太浪费了，所以说往往会把最高车速设置在，比如说甚至。那么，相应的电机的转速肯定低不了，随着电机转速的提高，频率也会增加，因此会要求铁芯损耗要低，特别是高频下损耗要低；还有就是对强度的要求，随着这个转速增加，转子上应力也会随之增加，因此强度低了不行，低了会出问题，这个后面还会讲到。最后很多人觉得汽车行业好有钱，一辆车就要卖几万、几十万。但是实际上这个理解是有问题的，汽车行业是对成本非常敏感的一个行业，不管什么时候降成本总是逃不掉的，所以说，整车降成本，电机也要降成本；电机要降成本，材料也要降成本，每个零部件都不可避免要降成本。新能源汽车驱动电机对材料的铁芯要求1、高低温运行铁芯材料高低温下磁性能的变化；铁芯材料高低温下力学性能的变化；铁芯材料高温下涂层性能的变化。2、高调速范围、高转速（1万转以上）材料在低、中频均具有良好的磁性；转子材料的疲劳强度。3、其他涂层耐油性；铁芯材料磁致伸缩对NVH的影响。具体在应用中，除了前面说到的那些对材料性能要求，还会有一些别的方面要求。比如说工业电机往往是常温下运行，运行到一段时间以后会达到一定的温度，比如说F级绝缘是度，但是通常不会用这么高，通常会用到或者度左右。但是汽车不是，通常我们车都会有一个高低温实验，冬天去漠河，做零下40度试验，夏天去吐鲁番，环境温度60度，去跑车的极限高温和极限低温情况。同样推过来，这些要求对电机和对电机用的材料也是一样的，也会有高温下低温下磁性材料的性能、力学性能、还有涂层的性能的这个要求。普通工业电机的话，一般来说即便是变频，调速范围也比较有限，比如说常见的变频风机的话，可能最高Hz，但是通常也就工作在Hz左右，可能有这么50~60Hz之间的一个变频范围。然而汽车电机不一样，最低可能会达到20-30Hz，最高可能会达到0Hz甚至更高，因此汽车电机会对于不同频率下、整个频率范围内以及不同的工作点上的材料性能有要求。第三条，现在油冷电机很流行。油冷电机里面是有油的，那么这个油和里面所有的材料之间的有没有兼容性？油和硅钢之间、和硅钢的涂层之间有没有兼容性？会不会影响材料的性能？反过来说材料里面的各种元素、各种成分会不会影响油本身的性能？这些都是对材料所提出来的一些要求。上述图片大家自己理解，不做详细阐述了。接下来探讨一下，在新能源汽车里面如何选铁芯材料以及一些相关的应用问题。2铁心材料选材与使用问题探讨2.1磁性材料的种类磁性材料分为很多类：常见的有软磁材料、硬磁材料。1）软磁材料，就是导磁的各种材料，比如说像铁或者说硅钢材料就是比较典型的软磁材料，它的矫顽力比较小，很容易充磁但是也很容易退磁，施加的激励源减少了以后材料里面磁性也会随之减小，而且他的剩磁也是很小的。2）硬磁材料的剩磁很大，矫顽力也很大，在激励源拿掉以后，仍然能保持相当的磁力，比如我们常用的钕铁硼或者是铁氧体，都是这种类型。接下来我们要探讨一下，高频下材料的磁特性。随着现在的电机转速越来越高也就是频率越来越高，那么对材料的要求就不仅仅限于工频下的，也不仅仅限于目前这种薄规格材料所强调的或者是指标性的Hz性能，往往会要求更高频率，比如说Hz、0Hz甚至更高频率的磁性能。2.2高频下软磁材料的磁特性实际上可以用作导磁材料的东西还是蛮多的，不仅仅有硅钢，现在比较流行的比如说铁氧体或者钕铁硼、各种磁粉芯等等，还有非晶材料。但是综合考虑性能、价格、加工性等各方面因素，目前看来还是传统硅钢是作为电机导磁材料的一个最合适选择。可能有人会提到比如说非晶材料，那么我这里稍微说一下，非晶材料它是一种优点和缺点都非常鲜明的材料，优点是他的损耗非常小，特别是在高频的时候，大概只有硅钢的三分之一的样子；但是他的缺点也很明显，他的导磁性不好、加工性也很差、不能受力，而且他没有宽料，所以说就目前来看，非晶材料似乎更适合做研究而不适合作为一种量产产品的材料。2.3中频下无取向硅钢厚度与铁损的关系现在电机转速越来越高，频率越来越高。随着频率的增加，损耗越来越大。这个直接影响就是，随着频率的升高，不得不选择越来越薄的材料，可能三年前乘用车都在用0.35的材料，现在好像用这个的己经很少了，大家都在用0.3、0.27、0.25甚至0.2厚度的材料。因为，随着转速和频率的提高，我们必须用减薄材料的这种方式来获得更高的效率，减少损耗。2.4频率、板厚对硅钢铁损的影响为什么频率提高了，我们就要减薄厚度？越薄材料会越贵。硅钢材料的损耗，按照经典的理论大体上可以分成三个部分1）磁滞损耗、2）涡流损耗、3）附加损耗。其中附加损耗比较小，一般可以忽略。主要就是磁滞和涡流两部分，磁滞损耗大体上是和频率成正比的；涡流损耗和频率的平方成正比和厚度的平方成正比、和电阻率成反比。降低磁滞损耗，没有太好的办法，主要就是一些静力结构的改善。涡流损耗是在频率高了以后它占的比例较高，那么要改善涡流可以1）增加材料电阻率，所以铁里面加硅，加硅的目的就是为了增加电阻率使得损耗可以下降；2）材料减薄，因为材料越薄，涡流越小，损耗越小。不太严格的说的话，硅钢材料的损耗可以粗略的看作是跟频率成1.3~1.5次方的关系。因此想要电机的效率高，想要铁芯的损耗小，那么在一定的范围内用更薄的材料是一个比较直接有效的手段。2.5无取向硅钢各向异性我们现在进入下一个问题——硅钢的各向异性，可能很多人听说过硅钢有两种，取向硅钢和无取向硅钢。那么取向硅钢是什么定义呢？就是说他在不同方向上的性能差异很大。那么无取向硅钢，大家可能不是很了解的人会觉得，既然是无取向说明各个方向性能是一样的喽，实际上没有那么简单，虽然说是无取向，但是他在不同的方向上的性能还是有差异的。通常采用爱博斯坦方圈法（一半纵向、一半横向试样）对磁性进行测量这图里面0度方向，我们在钢厂里面一般把这个叫做轧向或者叫做纵向，他代表的是钢卷的长度方向；那么90度方向，我们可以叫横向或者非轧向，它代表的是钢卷的宽度方向。我们可以看到在0度和90度两个方向上他们的损耗，其实还是有一点差别的，大概可以相差10%~20%，甚至个别牌号会更高一些；他们的导磁性也是不一样的，0度和90度有差异。但是仔细点都可以看到，其实性能最差的并不是90度方向，而是大概在45度左右。钢厂提供的材料性能，不管是曲线也好，还是典型值的性能也好，他实际上是用爱泼斯坦方圈法测量的，这个方法它里面一半是横向的试样一半是纵向的试样，因此我们可以把它看作是0度和90度两个方向性能的综合值，或者不太严格的说平均值吧。2.6不同温度下的材料磁特性前面提到过汽车经常会在极限低温和极限高温下去跑各种性能，那么反应到电机或者材料上，也会处在比如说电机内部的温度极限情况下。假如今天车开到漠河，停了一晚上，早上起来要发动，那么这时候可能是零下四十度；或者在高速上大夏天，跑了很久了，这个时候电机里面达到了很高的温度，而且是保持稳定的，铁芯的温度可能会有一百四五十度吧。那么在这种情况下，硅钢的各种性能有没有什么变化呢？反应到电机性能上有什么变化呢？我们可以看到，从零下四十度到一百八十度，硅钢的损耗是下降的，但是幅度不是特别大，大概极限也不到10%，或者也就10%的样子；导磁性也有略微的下降，它的幅度更小一些，可能只有3%左右。从这个角度来说，材料磁性能的变化对于电机性能的影响基本上不能说忽略吧，反正影响是不大的。然而，虽然硅钢的磁性能受温度的影响比较有限，但是硅钢的机械性能受温度影响还是很明显的。2.7不同温度下的材料机械特性我们可以看到随着温度的增加，比如零下一百五十度左右，他的机械性能下降还是很明显的，不管是屈服强度也好，抗拉强度也好，都有将近一百兆帕的这个下降。那么从右边的这个拉伸曲线，也可以得到同样的结果。这说明，在高温下整个电机的铁心，相对来说会变软，对他的主体结构来说，这是无关紧要的，但是对某些特殊结构来说，就要小心一点，这个我后面还会讲到。接下来是一个更大的问题，毕竟硅钢要想把它变成电机，要经过好多过程。一些小的过程就不赘述了，从几个大的工序来说，首先他要冲压成散片，然后要叠压，在叠压的过程中，可以有不同的方式，比如说有焊接、或者说有扣片、或者铆接等等，然后还要嵌线，最后还要把嵌线定子压到机壳里面去。所有的这些过程都会在铁芯里面产生各种应力，而这些应力，又会对铁芯的磁性能造成各种影响。2.8材料加工过程性能的变化从无取向硅钢原材料制成电机成品，各个工序或多或少都会对材料产生各种应力（剪切、压缩、热），这些应力都会劣化材料的磁性。2.9冲压加工引起材料的性能变化冲压是对铁芯影响比较大的一种加工。那么这里面做过些实验，实验是怎么做的呢，前面提到硅钢磁性能的测量是用爱泼斯坦方圈法。方圈是有标准试样的，这个标准试样宽度是三十毫米，长度是三百毫米左右，一般来说，是在两百八到三百二之间的一个尺寸。取这样的标准试样，把它性能测好，然后再把它1剪2。例如：从三十，1剪2能变成十五毫米，或者是1剪3变成十毫米，再或者，十五再一剪二那就变成7.5毫米的宽度，剪完了以后把它拼起来照样可以去测性能。测的性能的结果呢，这个图上就显示的很明显，铁损大概要增加百分之二十，导磁性磁感B50这个指标要降大概0.01特斯拉的样子。冲压完后铁心就是一片一片的，要把它做成铁芯，有很多方法。常见的，比如说工业电机，有做扣片的。在驱动电机上面呢，我没见到做扣片的，但是焊接的还是很多，焊接也有不同的方法，比如说有氩弧焊、激光焊，除了焊接以外、还有铆接，还有不用铆接直接用胶把它粘起来，当然胶也有不同的做法，有冲压的过程中喷胶的，也有直接用自黏胶涂层的。2.10不同固定方式引起的材料性能变化可以看到，不同的连接方法，对于损耗还是有比较大的影响，这个从原理上也很好解释，不管是焊接也好、铆接也好，实际上是客观上造成了片与片之间的导通也可以叫短路。但是粘接的方法呢，片与片之间的胶是绝缘的，因此就不存在这种导通和短路，因此他的性能肯定会更好。激光焊和氩弧焊相比，激光焊的焊缝更小，焊入的深度也比较浅，因此片片之间短路相对来说要好很多，所以说它的性能也会好一些。除了前面讲到的冲压和叠压工序，铁芯最终还是要放到机壳里面去。铁芯和机壳之间的连接，也有好多种方法，比如说常用的用一个键、或者简单一点用过盈配合，但是过盈配合就意味着铁芯和机壳之间，是有应力存在的，而这种应力又会对铁芯的性能产生影响。2.11装配过程引起的材料的性能变化从测试结果来看，应力越大，铁芯的磁性能就会越差，所以说我们在设计的过程中要选取合适的过盈量和合适的应力，并不是力越大越好。虽然应力大了铁芯和机壳之间，他的结合力会更好一些，散热其实也会更好一些，但是对磁性能的影响，那是不利的，所以说要选一个比较合理的值。2.12电机选材最后总结一下驱动电机的选材，驱动电机的选材实际上主要是从转速和频率的角度来考虑硅钢的厚度。虽然硅钢越薄价格越高，但是高价格他是值得的。当然这个表，他是比较粗略的，还是要根据各自的情况、各自的极数的选择、频率的选择来做一些计算，最后来确定自己实际的选材范围。接下来，我们来探讨一些跟计算和仿真有关的问题。前面也说到了铁芯在冲压的过程中会对性能有影响，那么我们怎么在仿真的过程中来模拟这种影响呢？3仿真和计算问题探讨3.1硅钢片性能冲剪劣化的影响模拟一般来说，我们需要在冲片上面或者说在模型里面把冲片的缝所造成的这个边界，把他提取出来。提取出来以后，对于这个边界区域和常规区域赋予不同的磁化和损耗曲线。也就是说相当于把原来看作一体的一块铁芯区域，把它分成两部分，一部分给赋予的是常规的曲线，另外部分赋予的是我们经过调整过的劣化的材料的性能曲线。之后就可以进行计算，计算结果，如何验证呢？因为导磁对于性能的影响，是一个比较综合的影响，可能很难把它简单的分辨出来。比较简单的办法就是仿真反电动势曲线，反电势主要体现的是整个磁路上的导磁性，当然也包括了永磁体的磁性，但是这点相对来说波动比较小，因此如果能够固化永磁体的磁性能，那么反电势曲线可以直接反应硅钢中的导磁性。把仿真结果和实测结果进行对比，如果调整的比较合适的话，可以做到两个曲线高度重合。前面讲的都是比较简单一点的问题，下面讨论一下大家比较

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