首钢安冬洋:高性能、高效率硅钢片最新发展与应用

NE时代新能源

阅读 1907    更新于2022-09-30 13:33:00

2022年9月21-22日,由NE时代主办,巨力自动化总冠名,巨一动力、中车时代电气、华域电动、上海电驱动战略合作,华为数字能源、智新科技生态合作的“2022(第二届)全球xEV驱动系统技术暨产业大会”在上海嘉定圆满召开。

在22日的分论坛上,首钢首席工程师安冬洋分享的是高性能、高效率硅钢片最新发展与应用。电机技术进步依赖于材料的进步,首钢带来的低损耗和高强度的硅钢片、点胶和旋转工艺等解决方案,为电机供应商设计出更先进的电驱提供了强有力的支持。

以下为现场实录:

接下来我将结合首钢的情况谈一下高性能硅钢片的发展情况。我的报告分为三部分。

第一部分,大家都知道硅钢是实现电和磁相互转化的功能性材料,和传统的钢铁材料有很大的不同。我们提到硅钢一般分为两种,取向硅钢和无取向硅钢,我们现在在驱动电机领域应用的主要是无取向硅钢,各个方向的性能是相对一致的,适合用于旋转的磁场工况下。取向硅钢是通过生产工艺的控制,基体内大部分晶粒朝着轧制方向,适合在固定磁路,比如变压器领域。现在也有一些科研机构在研究怎么把取向硅钢用在驱动电机上,短期来看还有一些生产上的问题,将来可能会得到一些应用。

回到节能和新能源汽车技术路线图,其中针对驱动系统有三方面的要求。第一,功率密度。现在我们看到功率密度在不断提升,代表着电机转速在不断攀升。我们调研了一下近十年国内量产车型最高电机转速的情况,15、16年是12000rpm,到目前国内最快的是19000rpm。同时我们了解到国内很多车企以及Tier1都在自研更高转速的,超过20000rpm甚至到30000rpm的驱动电机,对于材料的要求和传统的有很大的区别。第二,高效区占比,电机实现高效化。第三,关键核心材料国产化,说明了硅钢材料在电机中的重要作用。

从近些年硅钢材料的使用情况我们可以看到,硅钢铁损持续降低,厚度从最初的0.35mm到目前的0.25mm,0.25mm硅钢是目前全球众多头部车企应用最为广泛的材料。我们现在所有订单0.25mm材料占比在30%以上。但是随着电机高速化的发展趋势,0.25mm硅钢应用于更高转速的电机会遇到瓶颈,效率表现并不会那么好,我们看来0.2mm材料可能会成为下一代电机的首选,更远的将来可能会应用到0.15mm甚至0.1mm。

说完了定子,看一下转子,由于高速旋转,磁桥会受到比较大的离心力作用,常规材料无法抵抗较大离心力的作用。根据我们的调研结果,现在主流的电机转速大概在10000-20000rpm,材料强度300—400MPa。下一代电机转速在20000rpm以上,对于材料强度需求要达到450MPa以上。我们最想要的材料是铁损很低,强度很高。下面绿色框代表我们现在广泛使用的硅钢材料,一般是采用固溶强化的方式,通过添加以硅为代表的合金,强度提升,铁损也会下降。但是会有一个上限,大概450MPa左右,因为硅合金添加以后材料脆性很强,加工难度很大。铁损如果是以0.2mm为代表,大概就是11W/kg的水平。如果进一步提升强度,我们当然有很多方式,但是无一例外都会导致磁性的恶化。找到铁损又低强度又高的材料难度很大,目前处于瓶颈阶段。如何解决电机高速化选材的难题呢?我们有几方面的推荐。第一,通过我们的努力继续寻找性能更加优异的铁损更低、强度更高的材料。第二,基于现有材料的可选余地,把定转子材料分开使用,定子用铁损更低的硅钢、转子用强度更高的硅钢。第三,用一些特殊的后处理方式,比如最近特斯拉推出的碳纤维转子缠绕技术,但是和材料关系不大,这里不做介绍。前两种方案都会导致成本的上升,但是这是电机往下一代方向的必然趋势。同时也可以通过提升电机性能从降低电池成本方向找到平衡。

提到选材方案,接下来结合我们首钢的材料做一个介绍。我们现在具备了6个系列硅钢产品的生产能力,代表了市场上可以看得到的所有硅钢材料。第一个系列,SW常规类型的产品,也是市场上应用最广泛的。特点是强度大约是接近450MPa。它的强度比较高,同时铁损比较低。第二和第三就是H和G系列,代表高磁感,对于导磁能力有提升,对于电机扭矩提升有好处。但是也有弱项,强度大概在400MPa左右,对于高速电机20000rpm左右性能发挥就会差一些。我个人认为H系列产品会慢慢地被市场淘汰或者份额大幅降低。第四个系列就是高强度系列,通过其他的强化方式实现强度的增加,但同时铁损有恶化,主要还是适合在电机转子上。第五个系列就是我们新开发的SW-H系列,能够把铁损、磁感和强度平衡点进一步向上提升,具体性能一会再看。第六个系列是我们在上个月刚刚发布的,ESW系列,这个系列更加关注电机高速化之后对于铁损的要求,包括400Hz甚至700Hz,做了全新设计。这个系列目前只有一款产品,接下来我们陆续会有新产品推出。

先整体看一下现有的硅钢产品的性能分布。市面上应用比较广泛的材料就是以SW、SWH、SWG为代表的,铁损在10—20W/kg范围,强度大概是400—450MPa,强度不是很能满足未来的发展趋势。在这个基础上我们有开发高强度的产品,比如说YS500这款产品,强度达到500MPa,铁损大概在24W/kg左右,不能很好地满足定子需求。因此我们最近刚刚开发了一款20SW1200H产品,强度接近500MPa,突破了原有的平衡点,并且突破量还是比较多的。铁损11W/kg,铁损低强度高,符合未来高速电机发展需求的一款材料。刚才20这款材料除了常规的设计模式,提高电机转速、提升电机功率密度,同时我们也可以从设计层面将它转化到导磁能力方面。我们可以通过减少磁桥的宽度,减少漏磁,提升电机的扭矩。通过我们试验我们在一个模型上做了一些研究,我们把磁桥宽度减少了接近50%,结果就是我们扭矩得到6%的提升。各种性能通过我们电机设计是可以实现一些转化的,弥补不足或者劣势。对于定转子异材,即定子和转子选用不同材料,定子材料推荐选用低铁损的,转子材料推荐用高强度的。强度可以根据技术要求选择500MPa、600MPa甚至900MPa,但是铁损增加也大,设计当中要考虑平衡性。我们也做了一些研究和探索,2年前做了一个最高转速在20000rpm的电机,刻意为了研究这方面的影响把磁桥宽度做得比较窄,应用常规材料转子外缘磁钢已经凸起了,我们应用比较高的强度,其强度达到900MPa,用了它之后转子变形消失了,电机功率密度也得到提升。但是这种方式会有一些问题,定子怎么加工的问题,如果没有很好的套材方案,只能是选择分块拼接的方式,对于加工制造环节会提出一些新的要求。

第二部分,高性能硅钢片的应用。不仅要有好的材料,同时也要考虑如何把这个材料用好,更好地发挥自身特性。我们知道从材料到电机可能要经过设计、加工、制造、装配、测试等等流程,但是这个过程当中有很多因素对于硅钢性能的发挥有很大的影响。比如说温度、应力对于硅钢性能发挥有很大影响,硅钢是相对比较敏感的一款材料。做电机设计的人都知道在仿真时我们一般会给材料的性能一个系数,K,据我了解一般是1.5-2.5,我们换一种方式理解,我们是不是可以认为这里面大部分是加工制造或者装配过程当中材料性能发生恶化导致的系数增加呢?这个恶化能到什么幅度呢?我们认为是不是可以到100%,原来11W/kg铁损,实际使用过程当中变成22W/kg的水平。我们目前正在做的就是更多地挖掘这些影响材料性能发挥的因素,并提出相应的解决方案甚至是彻底消除这些影响。接下来我就两个点和大家做一个简单介绍。

第一,现在很多人知道有一种点胶技术,用粘接的方式,它和焊接工艺相比有哪些优势。随着材料厚度变薄,原有的生产流程难度越来越大,冲压模具精度要求高。另外焊接的过程当中铁损由于焊区导致层与层之间发生导通,这个区域会有比较大的涡轮损耗。采用粘接的方式,层与层之间是隔绝的,有钢板涂层进行绝缘,涡流会彻底消除。基于我们和产业链上企业进行合作,我们做了多轮测试,发现采用点胶技术,对于铁芯的铁损降低20%左右,这个幅度和我换一块更优异的材料相比更好一点。与此同时我们也在做全面粘接的研究,这是一种新的方式,全面粘接,不仅可以降低铁芯的铁损,同时可以进一步提升铁芯的刚度。

第二,定子的旋转对于铁损的影响。大家知道硅钢是轧出来的,厚度有小的差异。一般行业里通过定子转片或者定子叠旋转进行消除,我们现在用的都是无取向硅钢,所谓无取向,其实还是有一些各向异性的,各个方向导磁能力有差别。我们将一个铁芯沿着周向展开,磁力线在传递过程当中有的地方磁阻大有的地方磁阻小,阻力大的地方就需要绕过去,通常会到相邻层绕过去。这样会产生什么问题呢?会导致我的涡流损耗增加。根据我们测试,我们现在发现如果铁芯采用每片的旋转,铁芯铁损恶化可能要达到3-5%,幅度不像刚才那么大,但也是一个影响因素。你可以选择定子叠的旋转方式,而不是定子片的旋转方式。

第三部分,高性能硅钢供需关系。供应链安全也是非常重要的,特别是硅钢领域,很多人并不了解或者并不在意,我们简单看一下。通过近十年全球新能源汽车市场的发展趋势来看,新能源汽车市场一直保持高速增长,特别是这两年,今年有望全球销量首次超过1000万辆的规模,我们结合21和22年看一下中国市场的情况,中国市场在全球占比很高,在60%左右。2021年我国新能源汽车销量352万辆,硅钢在汽车上用的产量35万吨,根据我们测算大概80%是国内市场被使用掉的,另外20%是直接或者间接的形式出口了,比如整车、电机、铁芯形式。虽然目前我国是全球最大的硅钢生产国,比如2021年我国无取向硅钢产量1000多万吨,但是只有35万吨用在汽车驱动电机上的。看一下今年,今年销量超过600万辆完全没有问题,接下来就是看650还是660万辆,整体增幅达到70%以上。我们现在接单情况,订单量和去年同期相比增幅在100%以上,其实远超100%。行业对于硅钢的需求在迅速扩大。

目前国内包括国外一些硅钢供应能力来看,除了今年我们有一个新的产线投产之外,更多企业还是维持原有的产能,去年供需关系面临很大的矛盾,花高价也买不到材料。针对这种情况我们做了布局,我们上个月一条专门为新能源汽车驱动电机用硅钢的产线投产了,叫SUPER MILL,颠覆了原有硅钢生产的方式,采用了新的布置形式,产能、生产效率、产品质量都会有全新地变化。我们在今年产能是新增了35万吨,现在看量非常巨大,未来来看这个量微不足道。到25年将进一步扩大我们的产能,将再次新增35万吨,届时我们会为1000万辆以上的新能源汽车提供硅钢产品。

新的产线投产并不仅仅是产能供应能力的提升,同时也代表着我们的产品质量的提升,首先我们生产方式有了变化,像常规的材料一般都是用20辊轧机,我们采用连轧的方式,匹配了一些新的控制技术,未来各位会看到我们的板形质量会有提升。另外我的新产线对于过程参数控制能力也会进一步提升,代表着我们产品的一致性会有更好地表现。第三,产品的涂层,新的产线配备了新的涂层工装设备,我们有一款新的涂层预计在明年初会和各位见面,有一些新的变化。

通过以上介绍相信各位对于硅钢这个领域有了一个初步认识,对于首钢的情况也有了解。我们不仅仅可以提供性能优异的产品,我们也有足够的产能为各位服务。另外我们可以提供从材料到电机整个流程的应用技术的服务,我们是拥有保质保量的产品和从头到尾的服务。非常真诚地希望能够和在座各位开展更加深入地合作,谢谢。

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