如何通过材料及工艺创新进一步提升驱动电机关键指标？

来源：电动汽车产业技术创新战略联盟

前言

2023年3月3日，广汽埃安正式发布全新一代高性能集成电驱技术-夸克电驱，埃安电机团队从基础原材料和电磁原理重新开发，设计了一种“纳米晶-非晶”合金材料及批量制备工艺，并使用该材料制作电机铁芯。

一

驱动电机关键性能指标2022年度评估情况

《节能与新能源汽车技术路线图2.0》在2020年中国汽车工程学会年会暨展览会（2020SAECCE）上发布，之后中国汽车工程学会于2021年和2022年分别开展年度评估工作并形成了年度评估报告，并在2022年12月15-16日召开了2022年度评估成果发布会。在电驱动总成领域，分别针对驱动电机、电机控制器、乘用车电驱动总成、机电耦合动力总成、商用车动力总成、轮毂/轮边电机总成开展了年度评估，下表1为乘用车驱动电机关键性能指标2022年度评估情况。

表1 乘用车驱动电机关键性能指标2022年度评估情况

驱动电机在高速、高压化、高功率密度、高效率、低噪声等方面持续取得进步。电机转速进一步提升至16000~18000rpm，800V电压平台的高压驱动电机开始应用，定子扁导线电机在中大型乘用车市场比例显著提升，扁线电机在油冷条件下的电机功率密度达到6.0~7.0kW/kg，电机峰值效率达到97.5%以上，驱动电机全工况噪声降低至75dB以下。

二

驱动电机发展技术路径与趋势

根据《节能与新能源汽车技术路线图2.0》，持续提高驱动电机转矩/功率密度与效率、提高电机转速，降低电机振动噪声和制造成本是未来车用驱动电机的发展方向。面向不同的驱动电机技术发展目标，图1从核心材料与器件、电机设计与工艺两方面，归纳出驱动电机未来发展的主要技术路径。

图1 驱动电机发展技术路径与趋势

驱动电机的技术突破和产品质量提升有赖于上游材料及工艺基础的突破，关键材料包括硅钢片、电磁线、绝缘材料、永磁体等。在先进材料方面，包括开发高强度、低损耗硅钢片，低损耗非晶导磁材料，耐高温的少重稀土/无重稀土/非稀土磁钢，高电导率低损耗铜线，耐电晕高导热率封装/绝缘材料等。根据《节能与新能源汽车技术路线图2.0》，我国在低重稀土/无稀土永磁体的开发、低成本高磁能积技术、磁体老化与可靠性技术，在高品质电工钢机械性能、耐服役与加工性，非晶合金铁芯等高性能高磁材料开发、应用与加工方面在国际上比较先进，但较日本企业还有一定差距；在新型电超导与热超导材料、漆包线成型与加工性、扁导线制造工艺、镁合金等轻量化壳体材料方面待进步，尤其是高频耐电晕绝缘原材料仍主要依赖进口。

定转子铁芯材料是决定驱动电机性能的关键，接下来重点介绍新型铁芯材料及其应用。

三

新型铁芯材料

高性能铁芯材料有多种技术路线，包括：6.5%Si高硅钢（又名超级硅钢）、钴铁（CoFe）、镍铁（NiFe）、非晶纳米晶材料、软磁复合材料（SMC）等。通过降低铁损，可以提高驱动电机工作效率，从而降低电耗，目前量产的驱动电机基本采用高牌号无取向硅钢进行功率能量转化。我国无取向硅钢主要以低牌号为主，未来新能源车驱动电机、大型电机以及节能电机趋势下，高牌号无取向硅钢需求有望持续增长。无取向硅钢铁损越低，电能转化效率越高；磁感越大，产生的转矩越大；力学性能越高，服役承载强度越高，峰值转速越高。对车用驱动电机应用，要求硅钢材料具有更低铁损、更高磁感、更高机械强度。随着车用驱动电机转速的提高，铁心材料的使用频率也逐步提高，造成电机在高频下的铁损急剧增加。随着板厚的减薄，铁损P10/400逐渐降低，因此，车用驱动电机选择薄规格无取向硅钢是趋势。我国从大批量使用0.35mm材料逐步转为0.27-0.30mm产品，个别批量使用0.20和0.25mm产品。

6.5%Si高硅钢

除了减薄厚度，随着硅含量的增加，硅钢的磁滞伸缩系数减小，铁损降低，磁导率增加，当硅含量达到6.5%时，硅钢的磁导率达到最大值，磁致伸缩趋近于零，具有优异的磁学性能，是制作低噪音、低铁损变压器和电抗器、高频电机的理想铁芯材料。随着驱动电机的不断高速化，超级硅钢片的优势将越来越明显。但6.5%Si高硅钢质地脆，加工性能极差，难以用常规轧制方法制备，因而制约了其生产和应用，只有日本的JFE公司利用CVD方法实现了6.5% Si高硅钢的工业化生产。

钴铁（CoFe）

钴铁由于钴含量高，通常是最昂贵的合金。如果与铁合金化，钴在室温下会达到所有材料的最高最大饱和磁化强度（对于35％的Co和65％的Fe合金，B=2.43 T）。通常Co含量在15％至49％之间，为了改善加工性能，通常加入约2％的钒。典型应用包括机载电动机和发电系统，油田（“井下”）电动机和发电机以及赛车运动应用中的专用电动和混合动力系统。CoFe钢具有普通冲片钢的最高强度，因此可用于某些高速转子铁芯，例如磁性轴承，飞轮储能系统和以高转速运行的发电系统等。

镍铁（NiFe）

镍铁合金主要成分为镍与铁，同时还含有Cr、Si、S、P、C等杂质元素。最大的优势是具有极低的矫顽磁力，与CoFe和SiFe材料相比具有更高的相对磁导率μr，但缺点是饱和度低且最大通量密度小。大约45％至50％的NiFe合金通常用于主要关注低损耗要求的电机中，如应用在严密控制热范围内工作的牙科和外科手术器械、低损耗的航空航天，也可用于非运动装置，如解析器。

非晶合金

非晶合金是一种新型软磁材料，非晶带材厚度一般控制在0.02~0.03mm之间，可实现在线卷带，具有高磁导率、高电阻率、低损耗及低矫顽力等特点，目前广泛应用于节能配电变压器。将非晶合金材料应用于电机铁芯来替代常规硅钢片材料，能够显著降低电机的铁耗、提高电机效率，节能效果显著。与传统硅钢片材料相比，非晶合金材料饱和磁密低。同时，非晶合金材料薄、脆、硬，这些物理特性使其对加工工艺的敏感性高，造成非晶合金定子铁心难以加工成复杂形状，而且受电机控制器最高频率的制约以及非晶合金电机的可参考设计数据有限。这些为非晶合金电机定子拓扑结构的设计和产业化带来一定的难度。

软磁复合材料

软磁复合材料是将磁性微粒均匀分散在非磁性物中形成的，可以减少高频涡流损耗，提高应用频率。既可以采取热压法加工成粉芯，也可以利用塑料工程技术，注塑制造成复杂形状的磁体，具有密度小、重量轻、生产效率高、成本低、产品重复性和一致性好等优点。缺点是由于磁性粒子之间被非磁性体分开，磁路隔断。目前可以作为轴向磁通电机的定子材料。

四

新型铁芯材料在驱动电机上的几个应用案例

美国能源部（DOE）资助的ELT091项目

立项于2017年，由特拉华大学、爱荷华州立大学、Ames实验室、联合技术研究中心等四个机构联合开发，材料方面的创新技术为：开发替换稀土磁材的低成本高性能磁材MnBi材料、开发低损耗高导磁能力的6.5%Si的超级硅钢材料，这两种材料技术的突破带来一个电机应用技术的新发展：高功率密度低成本无稀土技术。Ames这些年一直在进行6.5%Si高硅钢的研究，在这个比例下，硅钢具有最低的铁耗和最高的导磁能力，最大磁导率可到传统无取向硅钢的9倍。制造工艺为：制成合金碎片-热压成块-退火去应力-切割成片。Ames推出了一款GO2P23牌号的6.5%Si材料，包含厚度0.1mm、0.2mm和0.33mm，还推出了一个名叫“Hiperco-50”的同技术产品。