日本JFE鋼鐵公司無取向電工鋼的最新進(jìn)展

1、前言

日本電機(jī)的電力消費(fèi)量占國(guó)內(nèi)電力消費(fèi)總量的60%。假定電機(jī)效率提高1%，節(jié)能量相當(dāng)于一座50萬千瓦級(jí)核電站的發(fā)電量。所以高效率電機(jī)的開發(fā)是非常緊迫的工作。

    電機(jī)鐵芯普遍使用的無取向電工鋼板是傳遞磁能的功能材料，是影響電機(jī)效率的關(guān)鍵材料。無取向電工鋼板的鐵損越小，電機(jī)效率越高。磁感應(yīng)強(qiáng)度越高，電機(jī)扭矩越大。所以，高效率電機(jī)要求的鐵芯材料是低鐵損、高磁感應(yīng)強(qiáng)度無取向電工鋼板。此外，電機(jī)用電工鋼板還要求具有磁特性以外的性能。這些性能是，良好的沖料性、沖料后的高尺寸精度、良好的涂膜絕緣性、耐蝕性、焊接性和高精度厚度等。

JFE鋼鐵公司于1954年開始生產(chǎn)冷軋無取向電工鋼板。之后，利用高潔凈鋼制造技術(shù)于1978年和1983年開發(fā)出低鐵損冷軋無取向電工鋼板50RM270和50RM250。在高磁感應(yīng)強(qiáng)度冷軋無取向電工鋼板開發(fā)方面，1985年開發(fā)出利用織構(gòu)控制技術(shù)的高磁感應(yīng)強(qiáng)度冷軋無取向電工鋼板RP系列產(chǎn)品。并進(jìn)一步開發(fā)出消除應(yīng)變退火后具有高磁感應(yīng)強(qiáng)度和低鐵損的RMA?系列產(chǎn)品。

1990年以后，由于家電電機(jī)高效率化和混合動(dòng)力汽車的大量出現(xiàn)，JFE鋼鐵公司積極推進(jìn)適應(yīng)家電高效率電機(jī)和混合動(dòng)力汽車電機(jī)要求的電工鋼板的開發(fā)。已經(jīng)開發(fā)出的產(chǎn)品有，高效率電機(jī)用磁感應(yīng)強(qiáng)度·鐵損綜合特性優(yōu)良的JEN?系列產(chǎn)品、高頻電機(jī)用高頻鐵損低的薄電工鋼板JNEH?系列產(chǎn)品、高扭矩電機(jī)用高磁感應(yīng)強(qiáng)度電工鋼板.JNP?系列產(chǎn)品、高速電機(jī)轉(zhuǎn)子用高強(qiáng)度電工鋼板JNT?系列產(chǎn)品。

2、HEV/EV 電機(jī)用電工鋼板

2.1 HEV/EV 的要求特性

日本自1979年在世界率先出售批量生產(chǎn)的混合動(dòng)力汽車(HEV)以來，HEV產(chǎn)量逐年增加。近年來由于原油價(jià)格高漲和地球環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)HEV的需求進(jìn)一步增加。HEV開發(fā)初期對(duì)降低能耗進(jìn)行了研究，現(xiàn)在不僅對(duì)降低能耗，而且對(duì)電機(jī)的高應(yīng)答性以及高啟動(dòng)扭矩帶來的良好的駕駛感覺提出了更高的要求。HEV驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)鐵芯材料電工鋼板的要求特性如圖1。由于汽車啟動(dòng)和加速時(shí)需要高扭矩，所以，要求電機(jī)鐵芯材料電工鋼板具有高磁感應(yīng)強(qiáng)度。另一方面，電機(jī)在高轉(zhuǎn)數(shù)情況下，鐵損占電機(jī)總能量損耗的比例增加。所以，在要求鐵芯材料電工鋼板具有低的高頻鐵損的同時(shí)，還要具有高導(dǎo)熱率以將產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去。對(duì)于永磁鐵插入轉(zhuǎn)子永磁鐵槽的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(IPM)，為防止磁鐵飛出，要求電工鋼板具有高強(qiáng)度和高疲勞強(qiáng)度。

用一種電工鋼板滿足這樣多的要求十分困難，所以，應(yīng)根據(jù)電機(jī)要求性能的情況，區(qū)別使用不同的電工鋼板。

2.2 高效率電機(jī)用電工鋼板“JNE?”

對(duì)于混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車(HEV、EV)驅(qū)動(dòng)電機(jī)來說，為使電機(jī)高效率化，要求鐵芯材料具有低鐵損，為使電機(jī)小型化和高扭矩化，要求鐵芯材料具有高的磁感應(yīng)強(qiáng)度。增加電工鋼板的固有電阻和添加Si是降低電工鋼板鐵損的有效方法。高等級(jí)電工鋼板的Si含量達(dá)到3%左右。另一方面，Si是非磁性元素，添加Si會(huì)引起飽和磁化強(qiáng)度降低，并導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度下降。所以，傳統(tǒng)的添加Si的方法很難使電工鋼板兼有高磁感應(yīng)強(qiáng)度和低鐵損。JFE鋼鐵為提高電工鋼板的綜合性能，對(duì)優(yōu)化鋼中Si、Al添加量，增加對(duì)磁性有利的(100)、(110)織構(gòu)組織，以及進(jìn)一步降低鋼中的不純物等方面進(jìn)行了研究，開發(fā)出“JNE?”系列電工鋼板。圖2是“JNE?”系列電工鋼板與傳統(tǒng)的JN系列電工鋼板的磁感應(yīng)強(qiáng)度·鐵損綜合性能的比較。“JNE?”系列電工鋼板的磁感應(yīng)強(qiáng)度·鐵損綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)電工鋼板，對(duì)電機(jī)的高效率化起了很大作用。圖3是“JNE?”系列電工鋼板的硬度與鐵損的關(guān)系。在鐵損相同情況條件下，“JNE?”系列電工鋼板的硬度小于傳統(tǒng)的JN系列電工鋼板。因此，可減輕電工鋼板沖料時(shí)的模具磨損。

由于“JNE?”系列電工鋼板不僅可以提高電機(jī)的效率，而且具有提高生產(chǎn)效率的優(yōu)點(diǎn)，所以被大量用于市售的HEV。

2.3 高扭矩電機(jī)用電工鋼板“JNP?”

當(dāng)HEV、EV啟動(dòng)時(shí)、爬坡時(shí)和加速時(shí)，要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生大的扭矩。因此要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)鐵芯電工鋼板進(jìn)一步提高磁感應(yīng)強(qiáng)度。JFE鋼鐵開發(fā)出磁感應(yīng)強(qiáng)度高于傳統(tǒng)電工鋼板的“JNP?”系列高磁感應(yīng)強(qiáng)度電工鋼板。“JNP?”系列電工鋼板的磁感應(yīng)強(qiáng)度-鐵損關(guān)系如圖4。在相同鐵損條件下，“JNP?”系列電工鋼板的磁感應(yīng)強(qiáng)度比“JNE?”提高了0.02T?！癑NP

”系列電工鋼板為了利用織構(gòu)組織提高磁感應(yīng)強(qiáng)度，在對(duì)Si、Al、Mn合金元素添加量?jī)?yōu)化的基礎(chǔ)上，利用了晶界偏析元素并對(duì)中間工藝進(jìn)行改進(jìn)。

由于“JNP?”2系列電工鋼板具有高磁感應(yīng)強(qiáng)度，特別適用于要求大扭矩的HEV、EV驅(qū)動(dòng)電機(jī)的鐵芯。目前已經(jīng)用于市售的HEV電機(jī)。

這種大扭矩EV電機(jī)中有一種直接驅(qū)動(dòng)的輪轂電機(jī)(車輪內(nèi)裝電機(jī))。這種電機(jī)可以使車內(nèi)的空間變得開闊，并且電池可以置于坐席下面，因此增加了車體設(shè)計(jì)的自由度，特別適用于小型車的驅(qū)動(dòng)。

直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)不通過齒輪直接驅(qū)動(dòng)車輪，所以要求電機(jī)具有大扭矩。與用齒輪進(jìn)行高速轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)相比，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是，轉(zhuǎn)數(shù)較低，所以鐵損占電機(jī)總能耗的比例較小。因此，對(duì)直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)用電工鋼板的高磁感應(yīng)強(qiáng)度要求比低鐵損要求更重要。

為了查明直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)用電工鋼板的特性，JFE鋼鐵制作了功率為1.6kW的IPM，并對(duì)電機(jī)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖5是電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為1250r/min(相當(dāng)于60km/h車速)時(shí)的電機(jī)效率和扭矩的關(guān)系。從圖5可知，35JNP5電機(jī)的效率和扭矩都高于比較材35JN250電機(jī)。35JNP5適于用做直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)等大扭矩電機(jī)的鐵芯材料。

2.4 高頻薄電工鋼板“JNEH?”

HEV電機(jī)今后將向小型化的方向發(fā)展，因此電機(jī)的最大轉(zhuǎn)數(shù)將會(huì)增加。相應(yīng)地，作為鐵芯材料的電工鋼板的勵(lì)磁周波數(shù)也要增加。HEV電機(jī)中使用的永久磁鐵產(chǎn)生交變磁場(chǎng)引起電機(jī)中的電工鋼板發(fā)生高頻鐵損，導(dǎo)致能耗增加，所以要求電工鋼板降低高頻鐵損。電工鋼板的鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗。渦流損耗可用(1)式計(jì)算。由于渦流損耗與周波數(shù)的平方成正比，所以在高周波勵(lì)磁條件下，渦流損耗會(huì)急劇增加。

W=(πBmft)2/6ρ(1)

式中，Bm:勵(lì)磁磁感應(yīng)強(qiáng)度；f:周波數(shù)；t:電工鋼板厚度；ρ:電工鋼板固有電阻。

由(1)式可知，降低渦流損耗的方法是降低鋼板厚度和增加鋼板電阻。由于渦流損耗與鋼板厚度的平方成正比，所以減薄鋼板厚度可以有效降低渦流損耗。如圖6所示，由于減薄鋼板厚度不會(huì)降低飽和磁化強(qiáng)度，所以減薄鋼板厚度是一種很好的降低高頻鐵損的方法。為此，JFE鋼鐵開發(fā)出薄電工鋼板“JNEH?”。

圖7是各種薄電工鋼板的磁學(xué)特性。與厚度為0.35mm的最高級(jí)別電工鋼板相比，薄電工鋼板的鐵損可降低20%-30%，并且周波數(shù)越高，鐵損降低的程度越大。使用薄電工鋼板降低高頻鐵損的效果不僅是提高電機(jī)效率，而且由于電機(jī)發(fā)熱量減少使永磁鐵的熱負(fù)荷下降，可以使用不含Dy等高價(jià)稀土元素的永磁鐵。

2.5 轉(zhuǎn)子用高強(qiáng)度電工鋼板“JNT?”

IPM電機(jī)的永磁鐵插在轉(zhuǎn)子的永磁鐵槽內(nèi)，所以在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，永磁鐵的離心力使隔磁橋承受很大的應(yīng)力。從轉(zhuǎn)子強(qiáng)度方面來看，隔磁橋?qū)挾仍酱笤胶?，但隔磁橋?qū)挾仍酱?，永磁鐵的漏磁量越大，電機(jī)效率越低。所以，在保證轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的前提下，應(yīng)減小隔磁橋?qū)挾?。隔磁橋用的電工鋼板?yīng)具有承受高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)時(shí)永磁鐵離心力的強(qiáng)度和承受反復(fù)載荷的疲勞強(qiáng)度。此外，其高頻鐵損要小。JFE鋼鐵開發(fā)出轉(zhuǎn)子用高強(qiáng)度電工鋼板35JNE-S,35JNT590T(表1)。這些電工鋼板采用了固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的方法，提高了鋼的強(qiáng)度。與傳統(tǒng)電工鋼板相比，35JNE-S的強(qiáng)度約提高了20%、35JNT590T的強(qiáng)度約提高了50%。采用這些新型高強(qiáng)度電工鋼板可以提高電機(jī)的最高轉(zhuǎn)數(shù)，因此，有利于電機(jī)的小型化，并且由于隔磁橋窄幅化抑制了永磁鐵漏磁，提高電機(jī)效率。

3、EPS電機(jī)用電工鋼板

在新型汽車電機(jī)中，除了上述的HEV/EV的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，還有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)電機(jī)。EPS比油壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能耗效率提高3%-5%。預(yù)計(jì)2020年EPS的世界市場(chǎng)銷量將是2012年的1.9倍，達(dá)到6550萬臺(tái)。但是EPS存在的問題是，操作感覺不如油壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)好。其原因是存在損失扭矩。損失扭矩起因于軸承、電刷等機(jī)械摩擦以及鐵芯的磁滯損耗。研究電工鋼板的磁滯損耗和損失扭矩的關(guān)系，可以看出，磁滯損耗下降可以減少損失扭矩。高效率電機(jī)用電工鋼板的磁滯損耗很小，所以用于EPS電機(jī)鐵芯，可以減少損失扭矩。圖8是JN系列電工鋼板和JNE?系列電工鋼板的磁滯損耗比較。JNE?系列的磁滯損耗小于JN系列，所以適用于EPS電機(jī)鐵芯。為確認(rèn)JNE?系列電工鋼板用于EPS電機(jī)鐵芯的效果，制作了DC電刷電機(jī)，對(duì)電機(jī)的損失扭矩進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果如圖9。JNE?系列電工鋼板的磁滯損耗大幅度下降，可以確認(rèn)采用JNE?系列電工鋼板的EPS電機(jī)的損失扭矩會(huì)下降。此外，還確認(rèn)了JNP?系列電工鋼板也具有同樣的降低損失扭矩效果。JNE?系列和JNP?系列電工鋼板已經(jīng)大量用于EPS電機(jī)。

4、家電和產(chǎn)業(yè)機(jī)械電機(jī)用電工鋼板

日本國(guó)內(nèi)空調(diào)機(jī)的電力消費(fèi)量占日本家庭電力總消費(fèi)量的25%。并且空調(diào)機(jī)是家電中CO2排放量最多的設(shè)備。所以解決空調(diào)機(jī)節(jié)能問題是一項(xiàng)迫切的工作。從2006年開始，日本的空調(diào)機(jī)節(jié)能性能用APF(全年能源消費(fèi)率)表示。APF是在一定條件下，一年內(nèi)使用空調(diào)的效率指標(biāo)。由于空調(diào)電機(jī)在正常狀態(tài)下使用時(shí)對(duì)APF的影響比快冷、快熱對(duì)APF的影響更大。所以空調(diào)電機(jī)鐵芯電工鋼板應(yīng)在商用周波下具有優(yōu)良的磁學(xué)特性。

與空調(diào)機(jī)一樣強(qiáng)調(diào)電機(jī)鐵芯電工鋼板的商用周波特性的是產(chǎn)業(yè)用感應(yīng)電機(jī)。日本的感應(yīng)電機(jī)臺(tái)數(shù)產(chǎn)量占國(guó)內(nèi)電機(jī)合數(shù)總產(chǎn)量的90%。感應(yīng)電機(jī)使用臺(tái)數(shù)約為一億臺(tái)。因此，提高感應(yīng)電機(jī)效率對(duì)于降低能耗具有重要意義。為促進(jìn)高效率感應(yīng)電機(jī)的普及使用，日本于2011年確定將三相感應(yīng)電機(jī)作為先進(jìn)電機(jī)，并于2015年4月開始執(zhí)行IE3(優(yōu)質(zhì)高效)法規(guī)。電機(jī)損耗可分為銅損、鐵損和機(jī)械損。與永磁鐵電機(jī)不同，感應(yīng)電機(jī)的銅損較大。為了提高感應(yīng)電機(jī)的效率降低銅損和鐵損十分重要。因此對(duì)用于感應(yīng)電機(jī)鐵芯的電工鋼板的要求是，除了具有低鐵損，還要根據(jù)低銅損的需要具有高磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖10是厚度為0.35mm的各種電工鋼板的50Hz磁學(xué)特性。高效率電機(jī)用的JNE?系列電工鋼板和大扭矩電機(jī)用的JNE?系列電工鋼板的磁感應(yīng)強(qiáng)度·鐵損綜合性能最好，適用于空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)和高效率感應(yīng)電機(jī)的鐵芯。

5、大型發(fā)電機(jī)用電工鋼板

近年來，由于電力需求的增長(zhǎng)，日本建立了許多發(fā)電廠。特別是在2011年的東日本大地震后，對(duì)水力、火力發(fā)電的需求不斷增長(zhǎng)，大型發(fā)電機(jī)向大容量、高效率化方向發(fā)展。

對(duì)大型發(fā)電機(jī)鐵芯材料的要求是商用周波下的極低鐵損。影響電工鋼板鐵損的因素有鋼的不純物、晶粒大小和織構(gòu)組織等。通過對(duì)這些因素的控制可以實(shí)現(xiàn)電工鋼板的極低鐵損。采用的關(guān)鍵技術(shù):

1)鋼的潔凈化技術(shù)降低鋼中的夾雜物和析出物；

2)晶粒直徑最佳化技術(shù)和成分優(yōu)化技術(shù)；

3)通過對(duì)冷軋前晶粒直徑的控制，形成有利織構(gòu)技術(shù)。

JFE鋼鐵利用上述技術(shù)開發(fā)出50JN230、35JN200電工鋼板。這些材料對(duì)大型發(fā)電機(jī)的高效率化起了很大作用。