除了低電阻銅繞組和強大的永磁體外，定轉(zhuǎn)子鐵芯深系驅(qū)動電機的性能和效率。隨著電機持續(xù)挖掘效率潛力，將損耗盡可能地降低，定轉(zhuǎn)子鐵芯在材料和疊壓工藝上均為滿足電動汽車不斷變化的需求向前探索。那么硅鋼片及疊壓工藝是如何發(fā)展的？EME雜志推出的關(guān)于鐵芯發(fā)展趨勢的內(nèi)容和國內(nèi)硅鋼片企業(yè)近年來發(fā)布的新方案能夠給出一些答案。

薄規(guī)格硅鋼片降低鐵損

定轉(zhuǎn)子鐵芯在隨時間變化的電流磁場中會產(chǎn)生渦旋狀的感應(yīng)電流，從而發(fā)熱造成損耗（俗稱鐵損），降低了電機的效率。

最大程度地降低鐵損的方法是用盡可能薄的硅鋼片，將渦流限制在狹小的薄片之間，加大回路的電阻，從而減小渦流，降低鐵損。這也是為什么電機不采用整塊的鐵芯，而是由表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。

雖然工業(yè)電機的硅鋼片通常由0.35至0.5 mm厚的鋼制成，但驅(qū)動電機的趨勢是使用更薄的硅鋼片來降低渦流損耗。不少企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出 0.2 mm的硅鋼片，并且仍在開發(fā)更薄的硅鋼片。

圖片來源于EME雜志

問題是，電機設(shè)計的復(fù)雜性根源在于，關(guān)鍵參數(shù)之間需要相互平衡。因此整個行業(yè)也不可能定義一套標(biāo)準(zhǔn)的簡單規(guī)則來為不同類型的電機打造硅鋼片。面對定子對低鐵損的需求和轉(zhuǎn)子對高強度的要求，硅鋼片企業(yè)需要提供不同的方案來應(yīng)對。

對于永磁同步電機而言，更薄的硅鋼片的機械強度可能達(dá)不到2萬轉(zhuǎn)高轉(zhuǎn)速電機的需求。馬鋼曾指出，在充分考慮驅(qū)動電機的定子和轉(zhuǎn)子在電機中的實際功用，既考慮到降低定子的損耗又關(guān)注轉(zhuǎn)子的高轉(zhuǎn)速下材料的強度及高周疲勞性，馬鋼分別制造了定子材料和轉(zhuǎn)子材料，薄硅鋼高磁感硅鋼M27HV1400和600MPa級別的高強度硅鋼。

不同于尤其重視渦流損耗的永磁同步電機，感應(yīng)異步電機對這種損耗不那么敏感，因此可以使用較厚的硅鋼片，通常厚度為0.35 mm。

軸向磁通電機和橫向磁通電機的磁通路徑有所不同，有時磁感線在三維空間中移動。在這種情況下，可以使用軟磁復(fù)合材料或其他3D助焊劑材料。

自粘結(jié)更有利于超薄硅鋼片疊壓

具有非常高功率和扭矩密度的電機對硅鋼片的要求特別高。電工鋼生產(chǎn)商指出，這種性能通常被設(shè)計成以更高的轉(zhuǎn)速運行的緊湊型電機，從而導(dǎo)致更高的內(nèi)部開關(guān)頻率以及更大的機械應(yīng)力。較高的頻率導(dǎo)致更大的損耗，必須在鋼中用更好的磁性進行補償，而較高的機械應(yīng)力可導(dǎo)致塑性變形和疲勞，需要更強的材料來抵抗這些力。

為了實現(xiàn)高磁導(dǎo)率，必須限制鋼的合金含量，這使得將鐵損保持在最低限度更具挑戰(zhàn)性。然而，根據(jù)鐵芯制造商的說法，即使在合金含量較低的鋼中，也可以通過減少鐵芯厚度來降低損耗，盡管不可能實現(xiàn)高強度。

疊壓模具專家指出，在過去的十年中，為了追求更高的效率和更高的轉(zhuǎn)速，自粘結(jié)被用來確保鐵芯疊壓結(jié)構(gòu)的完整性，解決超薄規(guī)格硅鋼片更難以疊壓組裝的難題。

最薄的牌號更難加工疊壓。例如，在厚度小于0.25 mm時，層間的緊密連接越難實現(xiàn)，而對于給定的鐵芯高度，需要更多的硅鋼片疊壓而成，因此需要更長時間的精細(xì)化工作。

疊壓工藝已經(jīng)向前發(fā)展，這得益于對緊湊性以及降低噪音和振動的需求。一般情況下，疊壓方式主要有鉚接、激光焊接等。然而，超薄硅鋼片難以形成鉚接點，激光焊接也會產(chǎn)生局部導(dǎo)通，對電機性能不利。這時，自粘結(jié)成為一種非常有吸引力的替代方案。

自粘結(jié)方案主要有兩種主要的粘合技術(shù)：點膠粘合和全面粘合。顧名思義，點膠僅將每個硅鋼片固定在膠點所在的位置的相鄰位置，因此它不像全面粘合那樣堅固或穩(wěn)定，全面粘合可以產(chǎn)生具有非常精細(xì)公差和高機械穩(wěn)定性的鐵芯。

該方案提供了很大的設(shè)計自由度，允許最薄的硅鋼片和最嚴(yán)格的公差，而無需考慮焊縫和鉚接點，不會改變基材性能，鋼也保留了其理想的磁性。而且還有機械穩(wěn)定性，降低噪音和振動等優(yōu)勢。

一家電工鋼制造商表示，預(yù)計更薄、強度更高的硅鋼片將繼續(xù)發(fā)展下去，自粘結(jié)技術(shù)將擁有更大的市場空間。如果它們的成本足夠低，制造速度足夠快，就可以取代鉚接、焊接。

國內(nèi)，去年9月，太鋼新能源汽車驅(qū)動電機用薄規(guī)格電工鋼快速自粘結(jié)涂層產(chǎn)品下線。該產(chǎn)品厚度小于0.3毫米，不僅降低了電工鋼加工過程導(dǎo)致的性能損失，提升了鐵芯鋼度，提升可驅(qū)動電機性能，還因為粘結(jié)時間小于1分鐘的快速粘結(jié)特性，更好地適應(yīng)了驅(qū)動電機鐵芯高速沖壓工藝，具備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用條件。

寶鋼已開發(fā)普通AV，高效AHV和高磁感APV三代新能源汽車驅(qū)動電機用鋼產(chǎn)品，厚度涵蓋從0.35mm到極薄0.20mm，涂層有H（含Cr）、M（無Cr環(huán)保）和Z（自粘結(jié)）三類。其自粘結(jié)Z涂層可避免鐵芯鉚接和焊接時在硅鋼片中產(chǎn)生的應(yīng)力和層間短路等對電機的不利影響，提高了電機效率，并且將噪音降低3分貝。

鴻達(dá)模具將其自粘結(jié)鐵芯與常規(guī)焊接鐵芯作對比試驗，自粘結(jié)鐵芯在磁感應(yīng)強度為1.5T、50Hz狀態(tài)下試驗的磁性結(jié)果，鐵芯損耗降低了約5%，勵磁電流降低了9%。在相同試驗條件下產(chǎn)生的噪音，自粘結(jié)鐵芯在磁感應(yīng)強度相同的情況下比焊接型鐵芯降低約5dB。在相同試驗條件下鐵芯在勵磁狀態(tài)下的軸向振動速度, 自粘結(jié)鐵芯幾乎無振動, 而焊接型鐵芯有不同程度的振動, 定子鐵芯的徑向振動試驗有同樣的結(jié)果。

今年8月，鴻達(dá)模具、中汽研、首鋼子公司智新電磁、臥龍集團、寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司等聯(lián)合發(fā)布了《自粘結(jié)電機鐵芯》團體標(biāo)準(zhǔn)，加速自粘結(jié)鐵芯的應(yīng)用推廣。

資料來源：E-mobility Engineering雜志，寶鋼、太鋼、鴻達(dá)模具官網(wǎng)以及相關(guān)方案介紹

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