高強(qiáng)度電工鋼在新能源汽車高轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的應(yīng)用研究

李 沖，李建平，王 斌，李廣林，黃耀鵬，吳照明，安冬洋

(1.東風(fēng)汽車有限公司 東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心，廣州 510800；2.首鋼智新遷安電磁材料有限公司，遷安 064400)

0 引 言

根據(jù)乘聯(lián)會(huì)數(shù)據(jù)，2021年我國(guó)新能源乘用車銷量為279.2萬輛，同比增長(zhǎng)158.2%。按照國(guó)家《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，預(yù)計(jì)2025年我國(guó)新能源車市場(chǎng)銷量規(guī)模將達(dá)到530萬輛[1-2]，進(jìn)而對(duì)用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心的無取向電工鋼需求量將是巨大的。

無取向電工鋼的磁性能和力學(xué)性能對(duì)電機(jī)的綜合性能有著至關(guān)重要的影響，當(dāng)前我國(guó)中高功率電機(jī)最高轉(zhuǎn)速普遍處于10 000～15 000 r/min水平，為應(yīng)對(duì)后續(xù)更高轉(zhuǎn)速電機(jī)從而實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體小型化、輕量化和功率密度提升，需開發(fā)出不犧牲電機(jī)效率和輸出扭矩的高強(qiáng)度低鐵損無取向電工鋼材料[3,6]。

本文基于一款乘用車驅(qū)動(dòng)電機(jī)計(jì)算模型，使用0.30 mm厚度高強(qiáng)度低鐵損和高磁感新能源乘用車用無取向電工鋼材料進(jìn)行研究，分別從材料力學(xué)和電磁性能到電機(jī)的效率進(jìn)行對(duì)比分析，為高性能驅(qū)動(dòng)電機(jī)選材設(shè)計(jì)提供參考。

1 兩款0.3 mm無取向電工鋼材料性能對(duì)比

1.1 力學(xué)性能對(duì)比

按照國(guó)標(biāo)使用萬能全自動(dòng)-變溫拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行材料力學(xué)性能測(cè)量，測(cè)試裝置及被試樣品如圖1所示，0.30 mm高磁感30SW230和高強(qiáng)度低鐵損30SW1500材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)參見表1所示，與30SW230相比，30SW1500的屈服強(qiáng)度高出25 MPa，因而電機(jī)的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)能夠提升約6.1%，抗拉強(qiáng)度約提升2%，楊氏模量約提升27.8%。結(jié)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，圖2中的30SW1500材料的屈服拐點(diǎn)、抗拉極限強(qiáng)度更高，材料彈性段和塑性段的應(yīng)力值均高于30SW230，當(dāng)兩種材料發(fā)生相同應(yīng)變時(shí)，30SW1500所需受到的拉力更大，即能夠承受更大應(yīng)力；在兩種材料受到相同應(yīng)力時(shí)，30SW1500材料產(chǎn)生的應(yīng)變量小，進(jìn)而電機(jī)產(chǎn)生的變形量更小。

圖1 力學(xué)拉伸測(cè)試

表1 材料力學(xué)性能對(duì)比

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比

1.2 磁性能對(duì)比

按照國(guó)標(biāo)使用愛潑斯坦方圈法進(jìn)行磁性能測(cè)量，磁化曲線測(cè)試結(jié)果如圖3所示，相比高磁感的30SW230，高強(qiáng)度低鐵損30SW1500在磁場(chǎng)強(qiáng)度為5 000 A/m時(shí)的磁感低0.01 T，在80 000 A/m高場(chǎng)強(qiáng)時(shí)的飽和磁感低0.02 T。典型頻率400 Hz的磁感應(yīng)強(qiáng)度-鐵損B-P對(duì)比曲線如圖4所示，鐵損改善率隨著場(chǎng)強(qiáng)增大而變大，典型磁感1.0 T時(shí)鐵損可改善0.35 W/kg。考察乘用車驅(qū)動(dòng)電機(jī)高頻1 000 Hz時(shí)，B-P鐵損對(duì)比曲線如圖5所示，典型磁感1.0 T時(shí)鐵損可改善1.97 W/kg，磁感1.4 T時(shí)鐵損可改善6.55 W/kg，具有低鐵損特性的30SW1500優(yōu)于高磁感30SW230材料，特別是對(duì)應(yīng)高轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高頻鐵損特性，故30SW1500材料既具有高強(qiáng)度的力學(xué)性能，又具有低鐵損的特性。

圖3 B-H磁化曲線對(duì)比

圖4 400 Hz時(shí)B-P鐵損曲線對(duì)比

圖5 1 000 Hz時(shí)B-P鐵損曲線對(duì)比

2 電機(jī)性能仿真分析

本文基于一款峰值功率150 kW、最大轉(zhuǎn)速18 000 r/min的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)模型，通過同一電機(jī)模型仿真分析上述兩款電工鋼材料的應(yīng)用性能差異，該內(nèi)置式永磁同步電機(jī)采用經(jīng)典8極48槽，基本參數(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參見表2和圖6，雙V型轉(zhuǎn)子具有強(qiáng)度薄弱的磁橋結(jié)構(gòu)，需進(jìn)行強(qiáng)度校核。與驅(qū)動(dòng)電機(jī)力學(xué)性能相關(guān)的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度仿真分析和電機(jī)效率分析如下。

表2 電機(jī)基本參數(shù)

圖6 仿真模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

2.1 轉(zhuǎn)子強(qiáng)度仿真分析

以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)工況時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要承受離心力作用，轉(zhuǎn)子應(yīng)力與應(yīng)變滿足廣義胡克定律，關(guān)系可由矩陣表示：

σrotor=Dεrotor

(1)

式中：σrotor為轉(zhuǎn)子的應(yīng)力；D為彈性張量；εrotor為轉(zhuǎn)子的應(yīng)變。

選取電機(jī)最高轉(zhuǎn)速18 000 r/min的1.2倍值21 600 r/min作為校核轉(zhuǎn)速，通過有限元仿真得到轉(zhuǎn)子應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示，計(jì)算出的電機(jī)轉(zhuǎn)子隔磁橋處的最大應(yīng)力為434 MPa，說明該部位最為薄弱，需重點(diǎn)分析強(qiáng)度情況。在該應(yīng)力下，使用具有高強(qiáng)度的30SW1500材料制作的轉(zhuǎn)子，其產(chǎn)生的塑性應(yīng)變量和鐵心徑向位移量如圖8和圖9所示，徑向變形量為0.082 mm，參考轉(zhuǎn)子安全判別標(biāo)準(zhǔn)，在1.2倍的最高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行2 min無有害變形，變形量≤0.10 mm，故不易發(fā)生轉(zhuǎn)子掃膛故障問題，使用30SW1500材料制作的轉(zhuǎn)子安全性更高。

圖7 轉(zhuǎn)子離心力仿真分析

圖8 轉(zhuǎn)子鐵心塑性應(yīng)變量(30SW1500)

圖9 轉(zhuǎn)子鐵心徑向位移量(30SW1500)

相同條件下使用具有高磁感的30SW230材料制作轉(zhuǎn)子，所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變量和鐵心徑向位移量如圖10和圖11所示，相較30SW1500，30SW230塑性應(yīng)變量增大204%，鐵心徑向位移量增大26.8%，且變形量為0.104 mm，超出轉(zhuǎn)子安全判別標(biāo)準(zhǔn)，因而容易發(fā)生轉(zhuǎn)子掃膛故障，安全性較低。

圖10 轉(zhuǎn)子鐵心塑性應(yīng)變量(30SW230)

圖11 轉(zhuǎn)子鐵心徑向位移量(30SW230)

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率分析

針對(duì)高強(qiáng)度低鐵損無取向電工鋼在驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率經(jīng)濟(jì)性的應(yīng)用效果，分別采用30SW1500、30SW230材料進(jìn)行電機(jī)電磁仿真計(jì)算。

為便于對(duì)比兩種材料電機(jī)性能差異，采用固定輸出轉(zhuǎn)矩的方式，通過有限元仿真計(jì)算得到的30SW1500、30SW230電機(jī)效率MAP如圖12和圖13所示，電機(jī)峰值扭矩均控制為310 N·m，可觀察到具有低鐵損特性的30SW1500材料的96%高效區(qū)面積明顯大于30SW230。

圖12 30SW1500電機(jī)仿真效率MAP

圖13 30SW230電機(jī)仿真效率MAP

進(jìn)一步的對(duì)比電機(jī)鐵損方面，將鐵損分離為磁滯損耗和渦流損耗。30SW230與30SW1500渦流損耗分布如圖14、圖15所示，30SW1500的渦流損耗最大可改善792.59 W/kg，平均改善186.14 W/kg，且圖中明顯看出30SW230的渦流損耗有兩段高值，這也是其效率偏低的一個(gè)表現(xiàn)。30SW230與30SW1500磁滯損耗分布如圖16、圖17所示，30SW1500的磁滯損耗最大可改善85.63 W/kg，平均改善37.35 W/kg。磁滯損耗和渦流損耗的改善均隨轉(zhuǎn)速和磁感升高而增大，渦流損耗改善作用更加明顯。

圖14 30SW1500渦流損耗

圖15 30SW230渦流損耗

圖16 30SW1500磁滯損耗

圖17 30SW230磁滯損耗

經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到電機(jī)效率統(tǒng)計(jì)對(duì)比如表3所示，30SW1500與30SW230相比，采用30SW1500的電機(jī)仿真效率在最大效率上可提升0.34%、平均效率提升0.24%，各高效區(qū)占比中96%的占比提升效果最為明顯，可高出3.3%，特別是電機(jī)轉(zhuǎn)速越高的區(qū)域，電機(jī)高效率的優(yōu)勢(shì)越明顯。結(jié)果與30SW1500材料具有較低的鐵損優(yōu)勢(shì)相對(duì)應(yīng)。

表3 電機(jī)效率統(tǒng)計(jì)對(duì)比

3 結(jié) 語

對(duì)于新能源汽車用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，采用相同的電機(jī)設(shè)計(jì)方案時(shí)，對(duì)比了高磁感30SW230 和高強(qiáng)度低鐵損30SW1500 材料，使用30SW1500材料設(shè)計(jì)的電機(jī)具有以下特性：

1)力學(xué)屈服強(qiáng)度提升6.14%，楊氏模量提升27.8%；典型頻率400 Hz、磁感1.0 T時(shí)鐵損可改善2.45%。

2)電機(jī)具有相對(duì)較高的結(jié)構(gòu)安全性，制作的轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的應(yīng)變及變形量均相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)約能夠提升6.1%。

3)輸出相同轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗的改善均隨轉(zhuǎn)速和磁感升高而增大，渦流損耗改善作用更加明顯，即電機(jī)鐵耗得到改善。

4)電機(jī)具有較好的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，電機(jī)平均效率和高效區(qū)占比均具有一定的優(yōu)勢(shì)，高效區(qū)96%的占比可提升3.3%，驗(yàn)證了高強(qiáng)度低鐵損電工鋼在新能源汽車電機(jī)上應(yīng)用的可行性，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的提效降耗提供了一種有效方法。