「面向未來」之定子鐵芯的“鐵損”怎么減？

第一電動大牛作者 NE時代 2024-10-21 14:35

新能源電車定子鐵芯是電機定子部分的主體結構，通常由多層硅鋼片疊壓而成。它的主要功能是作為電機磁路的一部分，支撐電動機的繞組，并傳遞電機運行時的電磁能量。

常規的定子鐵芯采用的是無取向電工鋼，這是一種硅含量為0.5～6.5％且碳含量極低的硅鐵軟磁合金，通常由多層硅鋼片疊壓而成，疊壓完成之后再通過特殊的連接工藝連接在一起，形成一個堅固且連續的整體。

鐵芯的主要趨勢是降低鐵損，在電機設計中，鐵損主要包括渦流損耗和磁滯損耗。當電機的鐵芯暴露在交變磁場中時，會在鐵芯內部感應出渦電流，這些渦電流會產生額外的熱量，導致能量損失，也就是渦流損耗。除鐵損外工藝的優化也是未來的主要方向，本期面向未來之定子鐵芯這次也是主要從兩個方面出發；工藝，材料。

01.

0.20mm硅鋼片已量產

材料方面有兩個方向，一是基于現有材料繼續減薄，另外一個方向就是尋找一個全新的材料替代。

◎超薄硅鋼片可將渦流限制在狹小的間隙內，增加回路的電阻，這是因為渦流的路徑被分割成多個小段，每段的電阻增加，從而減少了總的渦流強度，這也是為什么電機不采用整塊磁性材料，而是由涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓而成的原因。

所以為使新能源汽車驅動電機小型化和高效化，其鐵芯材料所用的高牌號無取向電工鋼的厚度逐漸減薄，薄規格無取向硅鋼的厚度通常是指0.25 mm、0.20mm、0.15 mm的硅鋼產品。在性能指標上，無取向硅鋼通常用頻率400Hz條件下、磁極化強度1.0 T時的最大比總損耗值和磁場強度5000A/m下的最小磁極化強度表示。

圖片來源：國標CB/T34215-2017

與傳統板厚0.30mm相比，0.15mm以下厚度硅鋼板的鐵損可降低30％～40％，而且頻率越高鐵損降低的幅度越大，國內外乘用車用驅動電機采用公稱厚度0.30 mm無取向硅鋼已經成為主流。許多汽車廠家都在發布公稱厚度為0.25 mm、0.20 mm的超薄無取向硅鋼電機。零跑的盤古油冷電驅，就是用超薄0.20mm硅鋼片，深藍量產的原力超集電驅2.0，也是用的超薄低損定轉子硅鋼片0.20mm，這套電驅總成平均工況效率達92.59%。

02.

98.5%的效率關鍵來自非晶鐵芯

◎材料的替代方面，非晶合金正在逐步走進大眾視野，非晶合金是金屬在熔融狀態下以極快的冷卻速率冷卻得到的合金材料。由于冷卻速率非常快，合金內的原子來不及規則排列形成晶體就已經變成固體，完全凝固后的合金就保留了液態時原子的結構。由于這種原子呈長程無序排列的結構特征，即非晶態，這也使其具有較小的結構關聯尺寸、各向異性遠低于同類晶體材料，因而具有很小的矯頑力。

應用在電機領域的非晶合金一般采用鐵基非晶合金材料，傳統的硅鋼等晶體材料中，原子是呈有序排列形成晶粒，晶粒之間是晶界。電流通過時，特別是在變化的磁場下，會在晶界處產生大量的渦流損耗。而非晶合金內部不存在明顯的晶界，這就顯著減少了渦流損耗，這也是非晶材料的主要優勢之一。

今年8月份埃安量產的夸克電驅就是用的非晶材料做的定子，據稱最高效率達到了98.5%，13kW/kg的電機功率密度，其用非晶材料做的定子比傳統硅鋼片的材料厚度減薄90%，鐵損下降50%以上。

對于非晶合金帶材，目前可用的加工方案包括沖壓加工、激光切割、線切割。其中，線切割和激光切割方式在加工時因電流較大會產生熔融層，因此會增加材料的損耗，而且加工效率也低，無法批量生產。

圖片來源：青島云路先進材料技術股份有限公司

現有的沖壓方式也只適用于硅鋼，由于非晶比硅鋼硬度大約高5倍(維氏硬度達到900左右)，單層厚度小(0.025mm左右)，因此無法用針對硅鋼的沖壓模具來沖壓非晶，因為其無法滿足沖壓成型和沖壓壽命的要求，在沖壓過程中極易出現崩刃現象，而且在多層沖壓時，每層帶材的應力不同，會導致沖切面不平齊，存在擠壓或撕裂斷面，在原帶的沖壓過程中，模具的磨損也會非常嚴重，導致模具使用壽命低，所以非晶合金沖壓加工不僅對模具要求更高，而且模具成本也會大幅提高。

當然了，除了非晶合金還有新的方向，就比如6.5%硅鋼片，增加硅含量，其磁性能會得到相應提高，當硅的添加量達到6.5%時，磁性最高。但會使鋼變硬變脆，從而無法軋制成薄鋼板，需要解決材料低成本量產難題、材料加工、鐵心裝配等問題。目前還只是在研究階段，但是在軌道交通領域已經開始了嘗試和應用。

03.

定子鐵芯工藝從焊到粘

定子鐵芯的連接工藝方面的趨勢其實是比較明顯的，當前的主要工藝有扣點（也稱為鉚扣）、焊接、膠粘、自粘結。這其中點膠和焊接工藝占主流，自粘結會是未來的主流方向之一。

◎目前應用最多的主要是焊接，因為現在的定子鐵芯多數是整片沖壓，焊接的工藝會比扣點更合適一點，其是在鐵芯外圓處設置焊槽，然后用加熱使焊槽處金屬熔化后再聯為一體的工藝。常見的有TIG(惰性氣體保護焊通常采用氬氣)和激光焊兩種，最開始的電機多數采用TIG焊接，近年來激光焊接的應用明顯增加，相比之下，激光焊接的焊縫更窄，熱效應區更淺。但是也無法避免焊接帶來片間短路和熱效應，從而影響電磁性能，理論上焊縫越寬，影響越大。

◎扣點連接工藝更適合采用分段沖壓的鐵芯，其是在硅鋼片上沖裁出突出的扣點，通過這些扣點與下一層硅鋼片之間的摩擦力，使多層硅鋼片緊密結合在一起，形成電機鐵心。

正面長方形截面梯形扣點最為常見，因其結合力強、穩定性好、減少振動和噪聲等優點而被廣泛采用，但是扣點終歸是局部連接，連接力并不是太高，且扣點也會影響磁路設計。

◎自粘結的工藝一般情況下，是由鋼廠將處于液態的自粘結涂液涂敷在電工鋼表面，經過一定的烘干工藝處理，使涂層處于活化態。在由電機用戶通過加熱、疊壓，使得處于活化態的涂層實現相互粘結，從而制成電機鐵芯。自粘結鐵芯中的膠水填充了疊片間的空隙，形成了更為緊密的結構，這能大大提升導熱性能，也有助于電機在運行過程中的散熱。另外，自粘結鐵芯也有助于減少渦流損耗和磁滯損耗，增強電機的能效。

膠粘的工藝就是一種精確控制粘接劑分配的技術，通過點膠技術將粘接劑精準地點在零部件的表面，從而實現單個或多個部件的有效聯接、固定或者密封。

當前現有的自粘結涂層涂布方式多以自粘結涂層在硅鋼板表面涂覆為主，這種電工鋼自粘接涂層的涂覆方法將帶鋼采用多輥式逆涂，得到自粘接涂層，再在130℃至260℃溫度下烘烤，烘烤時間為30s至45s；將自粘接涂層固化，涂層涂覆完畢的帶鋼片疊片后在6bar至10bar的固化壓力下，以及130℃至220℃的固化溫度下，連續固化0.4h至4h。這其中要求自粘接涂層需要具備較低厚度的同時還要具有較高的剝離強度，才可滿足新能源對電機高轉速、高強度的要求。