高强度电工钢在新能源汽车高转速驱动电机上的应用研究

李 冲，李建平，王 斌，李广林，黄耀鹏，吴照明，安冬洋

(1.东风汽车有限公司 东风日产乘用车公司技术中心，广州 510800；2.首钢智新迁安电磁材料有限公司，迁安 064400)

0 引 言

根据乘联会数据，2021年我国新能源乘用车销量为279.2万辆，同比增长158.2%。按照国家《新能源汽车产业发展规划》，预计2025年我国新能源车市场销量规模将达到530万辆[1-2]，进而对用于驱动电机定、转子铁心的无取向电工钢需求量将是巨大的。

无取向电工钢的磁性能和力学性能对电机的综合性能有着至关重要的影响，当前我国中高功率电机最高转速普遍处于10 000～15 000 r/min水平，为应对后续更高转速电机从而实现电驱动系统整体小型化、轻量化和功率密度提升，需开发出不牺牲电机效率和输出扭矩的高强度低铁损无取向电工钢材料[3,6]。

本文基于一款乘用车驱动电机计算模型，使用0.30 mm厚度高强度低铁损和高磁感新能源乘用车用无取向电工钢材料进行研究，分别从材料力学和电磁性能到电机的效率进行对比分析，为高性能驱动电机选材设计提供参考。

1 两款0.3 mm无取向电工钢材料性能对比

1.1 力学性能对比

按照国标使用万能全自动-变温拉伸试验机进行材料力学性能测量，测试装置及被试样品如图1所示，0.30 mm高磁感30SW230和高强度低铁损30SW1500材料的力学性能数据参见表1所示，与30SW230相比，30SW1500的屈服强度高出25 MPa，因而电机的结构安全系数能够提升约6.1%，抗拉强度约提升2%，杨氏模量约提升27.8%。结合材料的应力-应变曲线可知，图2中的30SW1500材料的屈服拐点、抗拉极限强度更高，材料弹性段和塑性段的应力值均高于30SW230，当两种材料发生相同应变时，30SW1500所需受到的拉力更大，即能够承受更大应力；在两种材料受到相同应力时，30SW1500材料产生的应变量小，进而电机产生的变形量更小。

图1 力学拉伸测试

表1 材料力学性能对比

图2 应力-应变曲线对比

1.2 磁性能对比

按照国标使用爱泼斯坦方圈法进行磁性能测量，磁化曲线测试结果如图3所示，相比高磁感的30SW230，高强度低铁损30SW1500在磁场强度为5 000 A/m时的磁感低0.01 T，在80 000 A/m高场强时的饱和磁感低0.02 T。典型频率400 Hz的磁感应强度-铁损B-P对比曲线如图4所示，铁损改善率随着场强增大而变大，典型磁感1.0 T时铁损可改善0.35 W/kg。考察乘用车驱动电机高频1 000 Hz时，B-P铁损对比曲线如图5所示，典型磁感1.0 T时铁损可改善1.97 W/kg，磁感1.4 T时铁损可改善6.55 W/kg，具有低铁损特性的30SW1500优于高磁感30SW230材料，特别是对应高转速驱动电机的高频铁损特性，故30SW1500材料既具有高强度的力学性能，又具有低铁损的特性。

图3 B-H磁化曲线对比

图4 400 Hz时B-P铁损曲线对比

图5 1 000 Hz时B-P铁损曲线对比

2 电机性能仿真分析

本文基于一款峰值功率150 kW、最大转速18 000 r/min的内置式永磁同步电机模型，通过同一电机模型仿真分析上述两款电工钢材料的应用性能差异，该内置式永磁同步电机采用经典8极48槽，基本参数和拓扑结构参见表2和图6，双V型转子具有强度薄弱的磁桥结构，需进行强度校核。与驱动电机力学性能相关的转子强度仿真分析和电机效率分析如下。

表2 电机基本参数

图6 仿真模型拓扑结构示意图

2.1 转子强度仿真分析

以驱动电机转子为研究对象，在电机高速运转工况时，电机转子结构主要承受离心力作用，转子应力与应变满足广义胡克定律，关系可由矩阵表示：

σrotor=Dεrotor

(1)

式中：σrotor为转子的应力；D为弹性张量；εrotor为转子的应变。

选取电机最高转速18 000 r/min的1.2倍值21 600 r/min作为校核转速，通过有限元仿真得到转子应力仿真计算结果如图7所示，计算出的电机转子隔磁桥处的最大应力为434 MPa，说明该部位最为薄弱，需重点分析强度情况。在该应力下，使用具有高强度的30SW1500材料制作的转子，其产生的塑性应变量和铁心径向位移量如图8和图9所示，径向变形量为0.082 mm，参考转子安全判别标准，在1.2倍的最高转速下运行2 min无有害变形，变形量≤0.10 mm，故不易发生转子扫膛故障问题，使用30SW1500材料制作的转子安全性更高。

图7 转子离心力仿真分析

图8 转子铁心塑性应变量(30SW1500)

图9 转子铁心径向位移量(30SW1500)

相同条件下使用具有高磁感的30SW230材料制作转子，所产生的塑性应变量和铁心径向位移量如图10和图11所示，相较30SW1500，30SW230塑性应变量增大204%，铁心径向位移量增大26.8%，且变形量为0.104 mm，超出转子安全判别标准，因而容易发生转子扫膛故障，安全性较低。

图10 转子铁心塑性应变量(30SW230)

图11 转子铁心径向位移量(30SW230)

2.2 驱动电机效率分析

针对高强度低铁损无取向电工钢在驱动电机效率经济性的应用效果，分别采用30SW1500、30SW230材料进行电机电磁仿真计算。

为便于对比两种材料电机性能差异，采用固定输出转矩的方式，通过有限元仿真计算得到的30SW1500、30SW230电机效率MAP如图12和图13所示，电机峰值扭矩均控制为310 N·m，可观察到具有低铁损特性的30SW1500材料的96%高效区面积明显大于30SW230。

图12 30SW1500电机仿真效率MAP

图13 30SW230电机仿真效率MAP

进一步的对比电机铁损方面，将铁损分离为磁滞损耗和涡流损耗。30SW230与30SW1500涡流损耗分布如图14、图15所示，30SW1500的涡流损耗最大可改善792.59 W/kg，平均改善186.14 W/kg，且图中明显看出30SW230的涡流损耗有两段高值，这也是其效率偏低的一个表现。30SW230与30SW1500磁滞损耗分布如图16、图17所示，30SW1500的磁滞损耗最大可改善85.63 W/kg，平均改善37.35 W/kg。磁滞损耗和涡流损耗的改善均随转速和磁感升高而增大，涡流损耗改善作用更加明显。

图14 30SW1500涡流损耗

图15 30SW230涡流损耗

图16 30SW1500磁滞损耗

图17 30SW230磁滞损耗

经数据统计得到电机效率统计对比如表3所示，30SW1500与30SW230相比，采用30SW1500的电机仿真效率在最大效率上可提升0.34%、平均效率提升0.24%，各高效区占比中96%的占比提升效果最为明显，可高出3.3%，特别是电机转速越高的区域，电机高效率的优势越明显。结果与30SW1500材料具有较低的铁损优势相对应。

表3 电机效率统计对比

3 结 语

对于新能源汽车用内置式永磁同步电机，采用相同的电机设计方案时，对比了高磁感30SW230 和高强度低铁损30SW1500 材料，使用30SW1500材料设计的电机具有以下特性：

1)力学屈服强度提升6.14%，杨氏模量提升27.8%；典型频率400 Hz、磁感1.0 T时铁损可改善2.45%。

2)电机具有相对较高的结构安全性，制作的转子所产生的应变及变形量均相对较小，结构安全系数约能够提升6.1%。

3)输出相同转矩时，电机铁心中的磁滞损耗和涡流损耗的改善均随转速和磁感升高而增大，涡流损耗改善作用更加明显，即电机铁耗得到改善。

4)电机具有较好的运行经济性，电机平均效率和高效区占比均具有一定的优势，高效区96%的占比可提升3.3%，验证了高强度低铁损电工钢在新能源汽车电机上应用的可行性，为驱动电机的提效降耗提供了一种有效方法。