新能源電車定子鐵芯是電機(jī)定子部分的主體結(jié)構(gòu)，通常由多層硅鋼片疊壓而成。它的主要功能是作為電機(jī)磁路的一部分，支撐電動(dòng)機(jī)的繞組，并傳遞電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電磁能量。

常規(guī)的定子鐵芯采用的是無取向電工鋼，這是一種硅含量為0.5～6.5％且碳含量極低的硅鐵軟磁合金，通常由多層硅鋼片疊壓而成，疊壓完成之后再通過特殊的連接工藝連接在一起，形成一個(gè)堅(jiān)固且連續(xù)的整體。

鐵芯的主要趨勢是降低鐵損 ，在電機(jī)設(shè)計(jì)中，鐵損主要包括渦流損耗和磁滯損耗。當(dāng)電機(jī)的鐵芯暴露在交變磁場中時(shí)，會(huì)在鐵芯內(nèi)部感應(yīng)出渦電流，這些渦電流會(huì)產(chǎn)生額外的熱量，導(dǎo)致能量損失，也就是渦流損耗。除鐵損外工藝的優(yōu)化也是未來的主要方向，本期 面向未來 之定子鐵芯這次也是主要從兩個(gè)方面出發(fā)；工藝，材料。

01.

0.20mm硅鋼片已量產(chǎn)

材料方面有兩個(gè)方向，一是基于現(xiàn)有材料繼續(xù)減薄，另外一個(gè)方向就是尋找一個(gè)全新的材料替代。

◎超薄硅鋼片可將渦流限制在狹小的間隙內(nèi)，增加回路的電阻，這是因?yàn)闇u流的路徑被分割成多個(gè)小段，每段的電阻增加，從而減少了總的渦流強(qiáng)度，這也是為什么電機(jī)不采用整塊磁性材料，而是由涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓而成的原因。

所以為使新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)小型化和高效化，其鐵芯材料所用的高牌號無取向電工鋼的厚度逐漸減薄，薄規(guī)格無取向硅鋼的厚度通常是指0.25 mm、0.20mm、0.15 mm的硅鋼產(chǎn)品。在性能指標(biāo)上，無取向硅鋼通常用頻率400Hz條件下、磁極化強(qiáng)度1.0 T時(shí)的最大比總損耗值和磁場強(qiáng)度5000A/m下的最小磁極化強(qiáng)度表示。

圖片來源：國標(biāo)CB/T34215-2017

與傳統(tǒng)板厚0.30mm相比，0.15mm以下厚度硅鋼板的鐵損可降低30％～40％，而且頻率越高鐵損降低的幅度越大，國內(nèi)外乘用車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用公稱厚度0.30 mm無取向硅鋼已經(jīng)成為主流。許多汽車廠家都在發(fā)布公稱厚度為0.25 mm、0.20 mm的超薄無取向硅鋼電機(jī)。零跑的盤古油冷電驅(qū)，就是用超薄0.20mm硅鋼片，深藍(lán)量產(chǎn)的原力超集電驅(qū)2.0，也是用的超薄低損定轉(zhuǎn)子硅鋼片0.20mm，這套電驅(qū)總成平均工況效率達(dá)92.59%。

02.

98.5%的效率關(guān)鍵來自非晶鐵芯

◎材料的替代方面，非晶合金正在逐步走進(jìn)大眾視野，非晶合金是金屬在熔融狀態(tài)下以極快的冷卻速率冷卻得到的合金材料。由于冷卻速率非?？?，合金內(nèi)的原子來不及規(guī)則排列形成晶體就已經(jīng)變成固體，完全凝固后的合金就保留了液態(tài)時(shí)原子的結(jié)構(gòu)。由于這種原子呈長程無序排列的結(jié)構(gòu)特征，即非晶態(tài)，這也使其具有較小的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)尺寸、各向異性遠(yuǎn)低于同類晶體材料，因而具有很小的矯頑力。

應(yīng)用在電機(jī)領(lǐng)域的非晶合金一般采用鐵基非晶合金材料，傳統(tǒng)的硅鋼等晶體材料中，原子是呈有序排列形成晶粒，晶粒之間是晶界。電流通過時(shí)，特別是在變化的磁場下，會(huì)在晶界處產(chǎn)生大量的渦流損耗。而非晶合金內(nèi)部不存在明顯的晶界，這就顯著減少了渦流損耗，這也是非晶材料的主要優(yōu)勢之一。

今年8月份埃安量產(chǎn)的夸克電驅(qū)就是用的非晶材料做的定子，據(jù)稱最高效率達(dá)到了98.5%，13kW/kg的電機(jī)功率密度，其用非晶材料做的定子比傳統(tǒng)硅鋼片的材料厚度減薄90%，鐵損下降50%以上。

對于非晶合金帶材，目前可用的加工方案包括沖壓加工、激光切割、線切割。其中，線切割和激光切割方式在加工時(shí)因電流較大會(huì)產(chǎn)生熔融層，因此會(huì)增加材料的損耗，而且加工效率也低，無法批量生產(chǎn)。

圖片來源：青島云路先進(jìn)材料技術(shù)股份有限公司

現(xiàn)有的沖壓方式也只適用于硅鋼，由于非晶比硅鋼硬度大約高5倍(維氏硬度達(dá)到900左右)，單層厚度小(0.025mm左右)，因此無法用針對硅鋼的沖壓模具來沖壓非晶，因?yàn)槠錈o法滿足沖壓成型和沖壓壽命的要求，在沖壓過程中極易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，而且在多層沖壓時(shí)，每層帶材的應(yīng)力不同，會(huì)導(dǎo)致沖切面不平齊，存在擠壓或撕裂斷面，在原帶的沖壓過程中，模具的磨損也會(huì)非常嚴(yán)重，導(dǎo)致模具使用壽命低，所以非晶合金沖壓加工不僅對模具要求更高，而且模具成本也會(huì)大幅提高。

當(dāng)然了，除了非晶合金還有新的方向，就比如6.5%硅鋼片，增加硅含量，其磁性能會(huì)得到相應(yīng)提高，當(dāng)硅的添加量達(dá)到6.5%時(shí)，磁性最高。但會(huì)使鋼變硬變脆，從而無法軋制成薄鋼板，需要解決材料低成本量產(chǎn)難題、材料加工、鐵心裝配等問題。目前還只是在研究階段，但是在軌道交通領(lǐng)域已經(jīng)開始了嘗試和應(yīng)用。

03.

定子鐵芯工藝從焊到粘

定子鐵芯的連接工藝方面的趨勢其實(shí)是比較明顯的，當(dāng)前的主要工藝有扣點(diǎn)（也稱為鉚扣）、焊接、膠粘、自粘結(jié)。這其中點(diǎn)膠和焊接工藝占主流，自粘結(jié)會(huì)是未來的主流方向之一。

◎目前應(yīng)用最多的主要是焊接，因?yàn)楝F(xiàn)在的定子鐵芯多數(shù)是整片沖壓，焊接的工藝會(huì)比扣點(diǎn)更合適一點(diǎn)，其是在鐵芯外圓處設(shè)置焊槽，然后用加熱使焊槽處金屬熔化后再聯(lián)為一體的工藝。常見的有TIG(惰性氣體保護(hù)焊通常采用氬氣)和激光焊兩種，最開始的電機(jī)多數(shù)采用TIG焊接，近年來激光焊接的應(yīng)用明顯增加，相比之下，激光焊接的焊縫更窄，熱效應(yīng)區(qū)更淺。但是也無法避免焊接帶來片間短路和熱效應(yīng)，從而影響電磁性能，理論上焊縫越寬，影響越大。

◎扣點(diǎn)連接工藝更適合采用分段沖壓的鐵芯，其是在硅鋼片上沖裁出突出的扣點(diǎn)，通過這些扣點(diǎn)與下一層硅鋼片之間的摩擦力，使多層硅鋼片緊密結(jié)合在一起，形成電機(jī)鐵心。

正面長方形截面梯形扣點(diǎn)最為常見，因其結(jié)合力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、減少振動(dòng)和噪聲等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用，但是扣點(diǎn)終歸是局部連接，連接力并不是太高，且扣點(diǎn)也會(huì)影響磁路設(shè)計(jì)。

◎自粘結(jié)的工藝一般情況下，是由鋼廠將處于液態(tài)的自粘結(jié)涂液涂敷在電工鋼表面，經(jīng)過一定的烘干工藝處理，使涂層處于活化態(tài)。在由電機(jī)用戶通過加熱、疊壓，使得處于活化態(tài)的涂層實(shí)現(xiàn)相互粘結(jié)，從而制成電機(jī)鐵芯。自粘結(jié)鐵芯中的膠水填充了疊片間的空隙，形成了更為緊密的結(jié)構(gòu)，這能大大提升導(dǎo)熱性能，也有助于電機(jī)在運(yùn)行過程中的散熱。另外，自粘結(jié)鐵芯也有助于減少渦流損耗和磁滯損耗，增強(qiáng)電機(jī)的能效。

膠粘的工藝就是一種精確控制粘接劑分配的技術(shù)，通過點(diǎn)膠技術(shù)將粘接劑精準(zhǔn)地點(diǎn)在零部件的表面，從而實(shí)現(xiàn)單個(gè)或多個(gè)部件的有效聯(lián)接、固定或者密封。

當(dāng)前現(xiàn)有的自粘結(jié)涂層涂布方式多以自粘結(jié)涂層在硅鋼板表面涂覆為主，這種電工鋼自粘接涂層的涂覆方法將帶鋼采用多輥式逆涂，得到自粘接涂層，再在130℃至260℃溫度下烘烤，烘烤時(shí)間為30s至45s；將自粘接涂層固化，涂層涂覆完畢的帶鋼片疊片后在6bar至10bar的固化壓力下，以及130℃至220℃的固化溫度下，連續(xù)固化0.4h至4h。這其中要求自粘接涂層需要具備較低厚度的同時(shí)還要具有較高的剝離強(qiáng)度，才可滿足新能源對電機(jī)高轉(zhuǎn)速、高強(qiáng)度的要求。

此前在[自粘結(jié)鐵芯“粘”出來的電機(jī)革命]的文章中評論區(qū)有不少小伙伴對自粘結(jié)的材質(zhì)以及溫度特性感興趣。

筆者簡單整理了一下目前常用的進(jìn)口自粘結(jié)圖層材料與一些國內(nèi)代表性企業(yè)的自主產(chǎn)品，歐洲這邊進(jìn)口的主要有EB548、EB549Rapid這兩類圖層，其長期耐熱溫度在150℃左右。 國內(nèi)自主企業(yè)寶鋼的粘結(jié)涂料EA3902的長期耐熱溫度為180℃。

◎快速固化的時(shí)間：EB548在30min，EB549Rapid在10min，EA3902在10min

◎粘結(jié)強(qiáng)度方面：EB548在5N/mm，EB549Rapid在2N/mm，EA3902在5N/mm

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