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[分享] 西莫论坛研讨会第十三期——汽车驱动电机用无取向硅钢

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[LV.8]以坛为家I

发表于 2015-8-5 13:18 | 显示全部楼层 |阅读模式

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现在新能源汽车很火,不是一般地火,比火山还要火,比火灾还要火
既然这么火了,自然就有必要好好讨论一下相关的内容,对我们西莫论坛来说,自然就是驱动电机喽
驱动电机涉及的内容也不少,比如设计,比如磁路,比如散热,当然还有相关的元件,本次研讨会,讨论的就是电机铁心上用的硅钢材料。

本次研讨会就是向论坛的会员介绍驱动电机用硅钢的相关知识,讨论和研究硅钢和电机性能之间的关系,为新能源汽车的研究及电机设计和性能优化提供一点帮助。

本次研讨会规则:
1、本贴主要讨论新能源汽车驱动电机用硅钢及其相关内容,其他材料方面,不管是永磁体还是绝缘材料,请勿涉及。
2、为了维持讨论秩序,不致引起混乱,发帖时请指明是提问还是回答。
同时,若是回答他人问题,请使用“回复”或者“引用”功能。
此功能在每个楼层的左下角,解答他人问题时,直接点击该问题所在楼层的“回复”或者“引用”,并输入内容即可。
3、尽量将帖子内容描述清楚,凡是提出有效问题,或有效解答他人问题者,均有积分相送。
4、本帖讨论内容仅限硅钢相关情况以及对电机性能的影响,请勿发表题外内容,违者屏蔽或删帖。

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[LV.8]以坛为家I

 楼主| 发表于 2015-8-5 13:21 | 显示全部楼层
一、无取向硅钢的定义及发展历程
无取向电工钢,顾名思义,其磁性具有各向同性性(也叫各向同性电工钢),广泛应用于制造各类电机、电子变压器铁心。在我国,无取向电工钢的使用量约占整个电工钢使用量的90%。无取向电工钢重要发展历史:
1900年英国人Hadfield发现硅钢;
1903年美国开始生产热轧硅钢;
20世纪40年代初冷轧无取向硅钢开始生产;
1954年太钢开始生产热轧硅钢;
20世纪60年代主要工业发达国家陆续停止生产热轧硅钢;
1979年武钢按照新日铁技术开始生产冷轧无取向硅钢。
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 楼主| 发表于 2015-8-5 13:23 | 显示全部楼层
到2014年,中国已经是全世界最大的无取向硅钢生产国
已知产能在1000万吨以上,潜在产能接近1400万吨
实际年产量,在750-800万吨的水平
以产量排名,依次是武钢、宝钢、首钢、太钢
不过如果太钢的产量完全释放,有可能超载首钢成为第三名。
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 楼主| 发表于 2015-8-5 13:26 | 显示全部楼层
电工钢按轧制工艺分为冷轧和热轧两大类,按磁性分取向和无取向两大类。热轧硅钢属于无取向硅钢,目前世界上只有我国生产。电工钢中Si≥0.5%也称为硅钢。

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[LV.8]以坛为家I

 楼主| 发表于 2015-8-5 13:33 | 显示全部楼层
这里有必要讨论一下取向和无取向硅钢的差异
无取向硅钢呈较好的磁各向同性(旋转电机需求),取向硅钢轧向磁性最好(静止器-变压器需求)。

上图是二者的铁损对比,其中0度即为轧制方向,也就是带钢的长度方向
可见,在0度方向上取向硅钢有明显的优势,实际上,取向硅钢可以轻松做到铁损1瓦以下,而无取向要做到2瓦都很困难。
但偏离该方向后,取向硅钢的性能会急剧下降,而无取向则变化不大,到了90度方向时,取向甚至比无取向更差


二者的导磁性能对比同样如此,只不过对取向硅钢来说,性能最差的并非90度方向,而是在60左右的位置上

综合来看,如果直接采用取向硅钢制作电机,实际上硅钢的性能是要取各个方向的平均性能,此时取向硅钢并无明显优势,但价格要贵得多
因此,如打算用取向硅钢做电机,需要在结构和磁路上进行重大的修改

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五哥,取向硅钢可以轻松做到铁损1瓦以下,而无取向要做到2瓦都很困难。这里面指的1瓦,2瓦是不是指的每千克啊?B30G130,B35A250曲线指的就是取向硅钢和无取向硅钢么?轧制偏离角完全不理解啊?  详情 回复 发表于 2015-8-19 22:28
pat
"如果直接采用取向硅钢制作电机,实际上硅钢的性能是要取各个方向的平均性能"。 平均很难取哦,事实上,不同的部分旋转铁耗是不一样的,一般都是根据实测铁损的结果凑一个比例系数吧.  发表于 2015-8-16 23:33
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 楼主| 发表于 2015-8-5 13:38 | 显示全部楼层
硅钢材料的微观结构
导磁性材料是由磁畴组成的,磁畴可以理解为一个个小的导磁体。


这张图是磁畴的示意图


这张图是在显微镜下观察到的磁畴

当然,更深层次的知识建议自己找书看,表问我,因为我也不懂

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 楼主| 发表于 2015-8-5 13:43 | 显示全部楼层
下面讲一下硅钢材料的磁性能
可能 大家最关心的是材料的损耗
硅钢的损耗可以分成三个部分,分别是磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗
P=Ph+Pe+Pa
多数情况下,只考虑前面两项

其中,磁滞损耗可以看作是材料在磁化过程中,磁畴在转向磁场方向过程中,相互摩擦产生的损耗。
磁滞损耗约等于磁滞回线的面积,材料越易磁化,磁滞回线面积越小,磁滞损耗越低。

计算公式如下:

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 楼主| 发表于 2015-8-5 13:46 | 显示全部楼层
涡流损耗是由于交变磁场在材料中引起的涡流所产生的损耗
产生机理如图:


计算公式如下:


可见,涡流损耗同材料的电阻率,以及材料的厚度都有密切的关系
这一点,后面还会提到

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片子的叠压系数对损耗有什么样的影响,是叠压系数越大,损耗越小吗?叠压系数跟片子的生产工艺有关系吗?  详情 回复 发表于 2015-8-13 12:31
这个公式里面的代号都代表什么意思? 为什么铁芯单片厚度对损耗有影响,总的叠压厚度一样,单片厚度与损耗的关系是什么?  详情 回复 发表于 2015-8-13 12:16
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 楼主| 发表于 2015-8-5 13:51 | 显示全部楼层
硅钢的生产工艺

前道工序包括炼铁、炼钢和热轧,跟大部分板材差不多
不过要说明的就是,其中炼钢工序对成分的控制非常重要,也是影响最终性能的一个重要因素


后道工序包括冷轧、退火、涂层等,而且根据性能要求的不同,还会包括一些特殊的工艺过程
其中退火工艺是关键,这个保密的,一般人我不告诉他

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 楼主| 发表于 2015-8-5 13:59 | 显示全部楼层
二、汽车驱动电机对硅钢产品的要求
新能源汽车很火热,要求也很高

与工业电机相比,电动汽车动力系统对驱动电机的性能和使用条件要求更高。

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 楼主| 发表于 2015-8-5 14:03 | 显示全部楼层
由于驱动电机本身的特点,对硅钢材料也提出了一些特殊的要求
而且,在工作的不同阶段,对性能的要求也有所不同

如果简单总结一下,就是低频下高导磁性,高频下低铁损和高转速下的高强度

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 楼主| 发表于 2015-8-5 14:04 | 显示全部楼层

这张图,估计业内人士都很熟悉,就不多讲了

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 楼主| 发表于 2015-8-5 14:11 | 显示全部楼层
本帖最后由 张老五 于 2015-8-5 14:12 编辑

三、汽车驱动电机用无取向硅钢的研发
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

上图是同一个材料(相同成分和工艺),在不同厚度时的损耗差异(不同频率下)


上图是同一钢种在不同厚度下的损耗差异(400Hz1.0T下)

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。

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pat
如果考虑谐波,频率应该有好几千Hz的,一般BP曲线没有更高频的,那么高频谐波的损耗是算到附加损耗里么?  发表于 2015-8-16 23:36
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 楼主| 发表于 2015-8-5 14:17 | 显示全部楼层
绝缘涂层对性能的影响也很明显,不同的涂层对应不同的厚度和绝缘性能
不同涂层的性能见下表

新能源汽车驱动电机,由于频率较高,加上驱动波形谐波较大,通常不用薄涂层
此外,自粘接涂层对电机性能可能有更好的表现,除了价格太贵以外,没啥缺点

自粘接Z涂层可避免铁心铆接和焊接时在硅钢片中产生的应力和层间短路等对电机的不利影响,提高了电机效率。

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pat
自粘性的硅钢片有高大上的车上用过,除了价格贵外,铁心的叠压系数也会下降。  发表于 2015-8-16 23:37
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 楼主| 发表于 2015-8-5 14:20 | 显示全部楼层
本帖最后由 张老五 于 2015-8-5 14:21 编辑

四、汽车驱动电机用无取向硅钢产品介绍

宝钢从2008年开始研发车用驱动电机用无取向硅钢产品,到目前为止已经形成普通AV、高效AHV系列产品,正在开发性能更高的APV以及高强度产品。



性能分布如下:

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 楼主| 发表于 2015-8-5 14:24 | 显示全部楼层
典型性能的分布如下表

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涨姿势啊,27的比50的价钱如何  详情 回复 发表于 2015-8-10 20:28
1、不同功率密度、转矩密度、功率等级的驱动电机,如何去选择硅钢片,有无指导参考? 2、上述硅钢片,在-20~150度间,其磁化及铁损特性变化大不大?有无一个定性的分析?  详情 回复 发表于 2015-8-5 20:53
看来还是要用薄的,铁损和磁感还是俩矛盾体  详情 回复 发表于 2015-8-5 20:47
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 楼主| 发表于 2015-8-5 14:27 | 显示全部楼层
班门弄斧一下
宝钢可以提供给用户的服务:
材料
性能检测
设计合作
样机制作
铁心切割
。。。。。。。

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[LV.6]常住居民II

发表于 2015-8-5 20:40 | 显示全部楼层
张哥开始发力了 先mark
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[LV.8]以坛为家I

发表于 2015-8-5 20:44 来自手机 | 显示全部楼层
提问:典型硅钢的设计参数有木有,谢谢

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没明白你想表达的意思 能具体一点吗?  详情 回复 发表于 2015-8-5 20:47
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[LV.5]常住居民I

发表于 2015-8-5 20:45 | 显示全部楼层
无取向硅钢片能否替代有取向硅钢片,做变压器类的铁芯材料使用?

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电力变压器不太可能,毕竟两者性能差异还是很明白 电子变压器其实用无取向的也不少  详情 回复 发表于 2015-8-5 20:48
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