日本JFE钢铁公司无取向电工钢的最新进展

日本JFE钢铁公司无取向电工钢的最新进展

1、前言

日本电机的电力消费量占国内电力消费总量的60%。假定电机效率提高1%，节能量相当于一座50万千瓦级核电站的发电量。所以高效率电机的开发是非常紧迫的工作。

    电机铁芯普遍使用的无取向电工钢板是传递磁能的功能材料，是影响电机效率的关键材料。无取向电工钢板的铁损越小，电机效率越高。磁感应强度越高，电机扭矩越大。所以，高效率电机要求的铁芯材料是低铁损、高磁感应强度无取向电工钢板。此外，电机用电工钢板还要求具有磁特性以外的性能。这些性能是，良好的冲料性、冲料后的高尺寸精度、良好的涂膜绝缘性、耐蚀性、焊接性和高精度厚度等。

JFE钢铁公司于1954年开始生产冷轧无取向电工钢板。之后，利用高洁净钢制造技术于1978年和1983年开发出低铁损冷轧无取向电工钢板50RM270和50RM250。在高磁感应强度冷轧无取向电工钢板开发方面，1985年开发出利用织构控制技术的高磁感应强度冷轧无取向电工钢板RP系列产品。并进一步开发出消除应变退火后具有高磁感应强度和低铁损的RMA?系列产品。

1990年以后，由于家电电机高效率化和混合动力汽车的大量出现，JFE钢铁公司积极推进适应家电高效率电机和混合动力汽车电机要求的电工钢板的开发。已经开发出的产品有，高效率电机用磁感应强度·铁损综合特性优良的JEN?系列产品、高频电机用高频铁损低的薄电工钢板JNEH?系列产品、高扭矩电机用高磁感应强度电工钢板.JNP?系列产品、高速电机转子用高强度电工钢板JNT?系列产品。

2、HEV/EV 电机用电工钢板

2.1 HEV/EV 的要求特性

日本自1979年在世界率先出售批量生产的混合动力汽车(HEV)以来，HEV产量逐年增加。近年来由于原油价格高涨和地球环保意识的增强，对HEV的需求进一步增加。HEV开发初期对降低能耗进行了研究，现在不仅对降低能耗，而且对电机的高应答性以及高启动扭矩带来的良好的驾驶感觉提出了更高的要求。HEV驱动电机和电机铁芯材料电工钢板的要求特性如图1。由于汽车启动和加速时需要高扭矩，所以，要求电机铁芯材料电工钢板具有高磁感应强度。另一方面，电机在高转数情况下，铁损占电机总能量损耗的比例增加。所以，在要求铁芯材料电工钢板具有低的高频铁损的同时，还要具有高导热率以将产生的热量散发出去。对于永磁铁插入转子永磁铁槽的内置式永磁同步电机(IPM)，为防止磁铁飞出，要求电工钢板具有高强度和高疲劳强度。

用一种电工钢板满足这样多的要求十分困难，所以，应根据电机要求性能的情况，区别使用不同的电工钢板。

2.2 高效率电机用电工钢板“JNE?”

对于混合动力汽车和电动汽车(HEV、EV)驱动电机来说，为使电机高效率化，要求铁芯材料具有低铁损，为使电机小型化和高扭矩化，要求铁芯材料具有高的磁感应强度。增加电工钢板的固有电阻和添加Si是降低电工钢板铁损的有效方法。高等级电工钢板的Si含量达到3%左右。另一方面，Si是非磁性元素，添加Si会引起饱和磁化强度降低，并导致磁感应强度下降。所以，传统的添加Si的方法很难使电工钢板兼有高磁感应强度和低铁损。JFE钢铁为提高电工钢板的综合性能，对优化钢中Si、Al添加量，增加对磁性有利的(100)、(110)织构组织，以及进一步降低钢中的不纯物等方面进行了研究，开发出“JNE?”系列电工钢板。图2是“JNE?”系列电工钢板与传统的JN系列电工钢板的磁感应强度·铁损综合性能的比较。“JNE?”系列电工钢板的磁感应强度·铁损综合性能优于传统电工钢板，对电机的高效率化起了很大作用。图3是“JNE?”系列电工钢板的硬度与铁损的关系。在铁损相同情况条件下，“JNE?”系列电工钢板的硬度小于传统的JN系列电工钢板。因此，可减轻电工钢板冲料时的模具磨损。

由于“JNE?”系列电工钢板不仅可以提高电机的效率，而且具有提高生产效率的优点，所以被大量用于市售的HEV。

2.3 高扭矩电机用电工钢板“JNP?”

当HEV、EV启动时、爬坡时和加速时，要求驱动电机产生大的扭矩。因此要求驱动电机铁芯电工钢板进一步提高磁感应强度。JFE钢铁开发出磁感应强度高于传统电工钢板的“JNP?”系列高磁感应强度电工钢板。“JNP?”系列电工钢板的磁感应强度-铁损关系如图4。在相同铁损条件下，“JNP?”系列电工钢板的磁感应强度比“JNE?”提高了0.02T。“JNP

”系列电工钢板为了利用织构组织提高磁感应强度，在对Si、Al、Mn合金元素添加量优化的基础上，利用了晶界偏析元素并对中间工艺进行改进。

由于“JNP?”2系列电工钢板具有高磁感应强度，特别适用于要求大扭矩的HEV、EV驱动电机的铁芯。目前已经用于市售的HEV电机。

这种大扭矩EV电机中有一种直接驱动的轮毂电机(车轮内装电机)。这种电机可以使车内的空间变得开阔，并且电池可以置于坐席下面，因此增加了车体设计的自由度，特别适用于小型车的驱动。

直接驱动电机不通过齿轮直接驱动车轮，所以要求电机具有大扭矩。与用齿轮进行高速转动的电机相比，直接驱动电机的优点是，转数较低，所以铁损占电机总能耗的比例较小。因此，对直接驱动电机用电工钢板的高磁感应强度要求比低铁损要求更重要。

为了查明直接驱动电机用电工钢板的特性，JFE钢铁制作了功率为1.6kW的IPM，并对电机特性进行评价。图5是电机转数为1250r/min(相当于60km/h车速)时的电机效率和扭矩的关系。从图5可知，35JNP5电机的效率和扭矩都高于比较材35JN250电机。35JNP5适于用做直接驱动电机等大扭矩电机的铁芯材料。

2.4 高频薄电工钢板“JNEH?”

HEV电机今后将向小型化的方向发展，因此电机的最大转数将会增加。相应地，作为铁芯材料的电工钢板的励磁周波数也要增加。HEV电机中使用的永久磁铁产生交变磁场引起电机中的电工钢板发生高频铁损，导致能耗增加，所以要求电工钢板降低高频铁损。电工钢板的铁损包括磁滞损耗和涡流损耗。涡流损耗可用(1)式计算。由于涡流损耗与周波数的平方成正比，所以在高周波励磁条件下，涡流损耗会急剧增加。

W=(πBmft)2/6ρ(1)

式中，Bm:励磁磁感应强度；f:周波数；t:电工钢板厚度；ρ:电工钢板固有电阻。

由(1)式可知，降低涡流损耗的方法是降低钢板厚度和增加钢板电阻。由于涡流损耗与钢板厚度的平方成正比，所以减薄钢板厚度可以有效降低涡流损耗。如图6所示，由于减薄钢板厚度不会降低饱和磁化强度，所以减薄钢板厚度是一种很好的降低高频铁损的方法。为此，JFE钢铁开发出薄电工钢板“JNEH?”。

图7是各种薄电工钢板的磁学特性。与厚度为0.35mm的最高级别电工钢板相比，薄电工钢板的铁损可降低20%-30%，并且周波数越高，铁损降低的程度越大。使用薄电工钢板降低高频铁损的效果不仅是提高电机效率，而且由于电机发热量减少使永磁铁的热负荷下降，可以使用不含Dy等高价稀土元素的永磁铁。

2.5 转子用高强度电工钢板“JNT?”

IPM电机的永磁铁插在转子的永磁铁槽内，所以在高速转动时，永磁铁的离心力使隔磁桥承受很大的应力。从转子强度方面来看，隔磁桥宽度越大越好，但隔磁桥宽度越大，永磁铁的漏磁量越大，电机效率越低。所以，在保证转子强度的前提下，应减小隔磁桥宽度。隔磁桥用的电工钢板应具有承受高速转动时时永磁铁离心力的强度和承受反复载荷的疲劳强度。此外，其高频铁损要小。JFE钢铁开发出转子用高强度电工钢板35JNE-S,35JNT590T(表1)。这些电工钢板采用了固溶强化和细晶强化的方法，提高了钢的强度。与传统电工钢板相比，35JNE-S的强度约提高了20%、35JNT590T的强度约提高了50%。采用这些新型高强度电工钢板可以提高电机的最高转数，因此，有利于电机的小型化，并且由于隔磁桥窄幅化抑制了永磁铁漏磁，提高电机效率。

3、EPS电机用电工钢板

在新型汽车电机中，除了上述的HEV/EV的驱动电机，还有电动助力转向系统(EPS)电机。EPS比油压转向系统能耗效率提高3%-5%。预计2020年EPS的世界市场销量将是2012年的1.9倍，达到6550万台。但是EPS存在的问题是，操作感觉不如油压转向系统好。其原因是存在损失扭矩。损失扭矩起因于轴承、电刷等机械摩擦以及铁芯的磁滞损耗。研究电工钢板的磁滞损耗和损失扭矩的关系，可以看出，磁滞损耗下降可以减少损失扭矩。高效率电机用电工钢板的磁滞损耗很小，所以用于EPS电机铁芯，可以减少损失扭矩。图8是JN系列电工钢板和JNE?系列电工钢板的磁滞损耗比较。JNE?系列的磁滞损耗小于JN系列，所以适用于EPS电机铁芯。为确认JNE?系列电工钢板用于EPS电机铁芯的效果，制作了DC电刷电机，对电机的损失扭矩进行评价。评价结果如图9。JNE?系列电工钢板的磁滞损耗大幅度下降，可以确认采用JNE?系列电工钢板的EPS电机的损失扭矩会下降。此外，还确认了JNP?系列电工钢板也具有同样的降低损失扭矩效果。JNE?系列和JNP?系列电工钢板已经大量用于EPS电机。

4、家电和产业机械电机用电工钢板

日本国内空调机的电力消费量占日本家庭电力总消费量的25%。并且空调机是家电中CO2排放量最多的设备。所以解决空调机节能问题是一项迫切的工作。从2006年开始，日本的空调机节能性能用APF(全年能源消费率)表示。APF是在一定条件下，一年内使用空调的效率指标。由于空调电机在正常状态下使用时对APF的影响比快冷、快热对APF的影响更大。所以空调电机铁芯电工钢板应在商用周波下具有优良的磁学特性。

与空调机一样强调电机铁芯电工钢板的商用周波特性的是产业用感应电机。日本的感应电机台数产量占国内电机合数总产量的90%。感应电机使用台数约为一亿台。因此，提高感应电机效率对于降低能耗具有重要意义。为促进高效率感应电机的普及使用，日本于2011年确定将三相感应电机作为先进电机，并于2015年4月开始执行IE3(优质高效)法规。电机损耗可分为铜损、铁损和机械损。与永磁铁电机不同，感应电机的铜损较大。为了提高感应电机的效率降低铜损和铁损十分重要。因此对用于感应电机铁芯的电工钢板的要求是，除了具有低铁损，还要根据低铜损的需要具有高磁感应强度。

图10是厚度为0.35mm的各种电工钢板的50Hz磁学特性。高效率电机用的JNE?系列电工钢板和大扭矩电机用的JNE?系列电工钢板的磁感应强度·铁损综合性能最好，适用于空调压缩机电机和高效率感应电机的铁芯。

5、大型发电机用电工钢板

近年来，由于电力需求的增长，日本建立了许多发电厂。特别是在2011年的东日本大地震后，对水力、火力发电的需求不断增长，大型发电机向大容量、高效率化方向发展。

对大型发电机铁芯材料的要求是商用周波下的极低铁损。影响电工钢板铁损的因素有钢的不纯物、晶粒大小和织构组织等。通过对这些因素的控制可以实现电工钢板的极低铁损。采用的关键技术:

1)钢的洁净化技术降低钢中的夹杂物和析出物；

2)晶粒直径最佳化技术和成分优化技术；

3)通过对冷轧前晶粒直径的控制，形成有利织构技术。

JFE钢铁利用上述技术开发出50JN230、35JN200电工钢板。这些材料对大型发电机的高效率化起了很大作用。