JFE开发电动汽车驱动电机用电工钢板

1 EV驱动电机铁芯用电工钢板的要求性能

EV（电动汽车）驱动电机铁芯用电工钢板的性能要求多种多样。在EV发动和加速时驱动电机应具有大转矩，所以，铁芯用电工钢板应具有高磁场下的高磁感应强度。此外，在驱动电机高转速时，电机的铁损是电机能量损失的主要损失，所以，要求铁芯用电工钢板应具有高频低铁损的特性。并且还要具有高导热性，以利于放散铁芯产生的热量。对于内置式永磁同步电机（IPM），为防止磁铁的崩碎，要求电工钢板具有高强度和高疲劳强度。由于对电工钢板要求性能的多样化，所以难于用一种电工钢板满足上述所有性能要求。因此应按照电机的要求性能分别采用相应的电工钢板。

2 JFE钢铁公司开发的EV驱动电机铁芯用电工钢板

2.1高效率电机铁芯用电工钢板“JNE”

添加Si增大电工钢板固有电阻是降低电工钢板铁损的有效方法。高级别电工钢板的Si添加量约为3%。但由于Si是非磁性元素，所以Si添加量增加会导致电工钢板饱和磁感应强度的下降。因此，用传统的制造方法难于制造出高磁感应强度-低铁损的电工钢板。为解决这个问题，JFE钢铁公司进行了Si、Al添加量适宜化、粒径适宜化、增加磁性织构以及降低钢中不纯物含量的研究。图1是JFE钢铁公司利用这些技术组合开发出的JNE系列电工钢板的磁学性能。JNE系列电工钢板的磁感应强度-铁损综合性能优于传统的JN系列电工钢板，可实现电机高效率化和大转矩化。

2.2 高频电机用电工薄板“JNEH”

随着EV驱动电机小型高速化的发展，今后对降低EV驱动电机铁芯用电工钢板高频铁损的要求会越来越迫切。高频电流的涡流损失与电工钢板厚度的平方成正比。所以降低电工钢板厚度是降低铁损的有效方法。为此，JFE开发出电工薄钢板。图2是板厚0.20mm、0.25mm、0.30mm电工薄钢板的磁学性能。板厚0.2mm电工薄钢板的铁损比板厚0.35mm的最高级电工钢板的铁损下降了25%-30%。并且，电流频率越高，钢板厚度减薄的降低铁损效果越显著。

2.3高转矩电机铁芯用电工钢板“JNP”

EV在启动、加速、爬坡时，要求EV驱动电机产生大转矩。为此，高转矩电机铁芯用电工钢板应具有更高的磁感应强度。JFE开发出磁感应强度大于传统电工钢板的高磁感应强度的JNP系列电工钢板。其磁感应强度-铁损的关系见图3。在铁损相同的条件下，JNP系列电工钢板的磁感应强度比JNE系列电工钢板提高了0.01-0.02T。采用Si、Al、Mn含量适宜化和利用晶界偏析元素以及优化生产工艺等方法，控制织构组织，使JNP系列电工钢板具有高磁感应强度。

由于JNP系列电工钢板具有高磁感应强度，所以，适用于要求大转矩的EV驱动电机铁芯。要求大转矩的EV驱动电机有直驱式轮毂电机。直驱式电机不通过齿轮，直接使车轮转动。所以要求直驱式电机具有大转矩功能。此外，由于直驱式轮毂电机的转速小于利用齿轮的常规电机，所以，铁损对电机能损的占比较小。因此，对直驱式电机用电工钢板铁损的要求不太高，但要求具有高的磁感应强度。

图4是额定功率1.6kW的IPM式直驱式电机转速1250r/min（相当于车速60km/h）的电机效率与转矩。使用开发材35JNP5电机的转矩和效率均高于使用35JN250的电机。因此，开发材35JNP5适用于直驱式电机等大转矩电机的铁芯材料。

2.4 转子用高强度电工钢板“JNT”

IPM电机转子在高速旋转时由于磁铁离心力的作用，转子的隔磁桥部分承受很大的应力。从保证转子强度角度来看，应扩大隔磁桥的宽度，但扩大隔磁桥宽度会引起永磁铁漏磁量的增加，导致电机效率下降。所以，在保证转子强度的条件下，应尽量使隔磁桥的宽度最小化。为此，IPM电机转子用电工钢板应具有抗电机高速旋转离心力的高屈服强度和抗反复加载的高疲劳强度。此外，对于集中卷电机，由于转子表面会发生高频引起的铁损，所以转子电工钢板应具有小的高频铁损。为此，JFE开发出上述转子用高强度电工钢板35JNT590TK。35JNT590TK采用了固溶强化和细晶强化技术，强度比传统材约提高了30%。采用35JNT590TK可提高电机的最高转速，使电机小型化，以及使隔磁桥窄幅化抑制永磁铁漏磁量，提高电机效率。

2.5 6.5%Si钢板“JNEX”

钢中添加6.5%Si，使钢板的磁致伸缩几乎为0，从而使6.5%Si高硅钢板具有优良的高导磁率和低铁损。但是，Si含量增多，钢的伸长率急剧下降，使6.5%Si薄钢板的轧制制造产生很大困难。因此，传统的高级电工钢板的Si添加量被限定在3%左右。近年来，JFE钢铁公司开发出取代轧制法的CVD（化学气相沉积法）制造高Si钢板的技术，使6.5%Si钢板实现量产化。图5是JFE生产的6.5%Si钢板JNEX的磁学性能。6.5%Si钢板的铁损显著小于传统的无取向电工钢板。因此6.5%Si钢板是高速电机铁芯用的优良材料。   

2.6 Si梯度磁性材料“JNHF、JNRF”

JFE利用CVD法开发出Si浓度在板厚方向梯度分布的Si梯度磁性材料——JNHF系列产品。该产品不仅在10kZ以上的高频区具有低于JNEX的铁损，而且由于板厚中心的Si浓度小于JNEX，所以，磁感应强度高、冲料等加工性能好。   

JNEX系列、JNHF系列产品具有很低的高频铁损可用于EV驱动电机铁芯电工钢板，使电机高效率化。另一方面，由于JNEX系列、JNHF系列电工钢板的磁感应强度小于通用的无取向电工钢板，所以电机转矩小。为解决这个问题，JFE利用板厚方向Si梯度分布降低涡流损失技术，开发出高磁感应强度的JNRFTM系列电工钢板。图6是JNRFTM系列电工钢板的磁学性能。在相当于EV驱动电机转动频率的400Hz条件下，与JNEX系列、JNHF系列电工钢板相比，JNRFTM系列电工钢板具有铁损小，磁感应强度大幅度提高的特点。因此，可同时使EV驱动电机高效率和大转矩。