新型軟磁材料練就新能源汽車(chē)的“強(qiáng)健心臟”

新型軟磁材料

練就新能源汽車(chē)的“強(qiáng)健心臟”

根據(jù)中國(guó)乘聯(lián)會(huì)的數(shù)據(jù)，在2022年中國(guó)汽車(chē)銷(xiāo)量前10的車(chē)型中，有5款屬于新能源汽車(chē)。純電車(chē)、混動(dòng)車(chē)已經(jīng)快速滲透到我們的日常生活中。在選擇購(gòu)買(mǎi)新能源汽車(chē)時(shí)，人們最關(guān)注的是汽車(chē)新三大件“三電系統(tǒng)”(即驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池和電控系統(tǒng))。而其中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)又是最核心的部件，它需要應(yīng)對(duì)行駛中的各種復(fù)雜工況。效率、功率密度等參數(shù)是評(píng)價(jià)電機(jī)性能好壞的重要指標(biāo)，而制約這些指標(biāo)的主要因素是電機(jī)中核心材料——電工鋼，電工鋼是實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)換的核心軟磁材料。

由北京首鋼股份有限公司等單位完成的“新能源汽車(chē)用先進(jìn)軟磁材料研制與開(kāi)發(fā)”獲得2021年度北京市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。該項(xiàng)成果解決了軟磁材料開(kāi)發(fā)和制備過(guò)程中的諸多技術(shù)難題，生產(chǎn)出的新型材料被很多主流車(chē)企應(yīng)用，成功推動(dòng)了我國(guó)軟磁材料的技術(shù)進(jìn)步。那么這項(xiàng)成果背后有著怎樣精彩的創(chuàng)新故事呢?

從直流電機(jī)到永磁同步電機(jī)：汽車(chē)行業(yè)的此消彼長(zhǎng)

我們需要先從一件兩百年前的往事說(shuō)起。1821年，在英國(guó)皇家研究院任職的物理學(xué)家法拉第，根據(jù)物理學(xué)界新發(fā)現(xiàn)的電磁現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)室里制成了一個(gè)簡(jiǎn)易裝置：他將一塊天然磁鐵浸泡在一杯汞池里，然后將一根銅導(dǎo)線接上化學(xué)電池后也同樣放入汞池后，導(dǎo)線開(kāi)始圍繞磁鐵做連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。法拉第設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)只是為了進(jìn)一步解釋電磁現(xiàn)象，卻無(wú)意間開(kāi)啟了一個(gè)時(shí)代的大門(mén)——他的這個(gè)簡(jiǎn)易裝置成為后世新能源車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的鼻祖。在十三年后的1834年，英國(guó)人托馬斯·德文波特就沿著法拉第的思路，制成了第一臺(tái)實(shí)用型電機(jī)，并將其安裝在一輛三輪電動(dòng)車(chē)上——這誕生出來(lái)的多種現(xiàn)代鋼鐵材料，就成為理想的選材目標(biāo)。于是軟磁材料這一概念開(kāi)始興起，那些磁導(dǎo)率高、剩磁弱的材料就被統(tǒng)稱(chēng)為“軟磁材料”。

談起軟磁材料，作為首鋼集團(tuán)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的重要參與者，首鋼智新電磁公司首席工程師安冬洋如數(shù)家珍，他介紹道：“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，通電就生磁，斷電就退磁，這種電生磁的材料就是軟磁材料。有軟磁材料，也就有硬磁材料，那些一經(jīng)磁化就不易退磁的材料就是硬磁材料，也被稱(chēng)為永磁材料?！?/p>

軟磁材料的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了百年的歷程，從包括純鐵、硅鋼片、坡莫合金在內(nèi)的傳統(tǒng)金屬軟磁材料，到后來(lái)的鐵氧體軟磁、非晶及納米晶軟磁以及金屬磁鐵粉等新興材料，軟磁材料借助人類(lèi)冶金水平不斷迭代更新的東風(fēng)，開(kāi)始遍及電工、通信、醫(yī)療、汽車(chē)等多個(gè)重要領(lǐng)域，成為撐起工業(yè)文明的重要一分子。

當(dāng)然，優(yōu)質(zhì)的選材還需要配合更加合理高效的電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，才能發(fā)揮最大效能。時(shí)間來(lái)到20世紀(jì)初，雖然電動(dòng)車(chē)迎來(lái)了一段短暫的春天，其發(fā)展勢(shì)頭甚至一度蓋過(guò)了燃油車(chē)，但早期直流電機(jī)與生俱來(lái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難、功率低下等難題一直困擾著電動(dòng)車(chē)，加上當(dāng)時(shí)的電池充電功率很低，電動(dòng)車(chē)很快就從神壇跌落，在燃油車(chē)的陰影下蟄伏了起來(lái)。但在這段歲月里，電動(dòng)車(chē)也并非毫無(wú)作為。隨著科技的進(jìn)步，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)領(lǐng)域科學(xué)家和工程師們相繼推出了交流異步電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和永磁同步電機(jī)等新產(chǎn)品。

老當(dāng)益壯的硅鋼：市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的波高浪險(xiǎn)

當(dāng)今的新能源汽車(chē)，無(wú)論是混動(dòng)還是純電，除了部分執(zhí)著于交流異步電機(jī)的車(chē)型，絕大多數(shù)的量產(chǎn)車(chē)都在使用永磁同步電機(jī)。在談到永磁同步電機(jī)的工作原理時(shí)，安冬洋介紹道：“這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子里放置有永磁體，轉(zhuǎn)子又被分成一個(gè)個(gè)磁極，上面纏上銅線并通電，通過(guò)控制電流的大小和方向，以控制每一個(gè)磁極的磁力線大小和方向。進(jìn)而通過(guò)轉(zhuǎn)子與定子之間產(chǎn)生的相互吸引力，讓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來(lái)?！庇来磐诫姍C(jī)轉(zhuǎn)子的永磁體負(fù)責(zé)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，定子則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是通過(guò)恒定磁場(chǎng)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而轉(zhuǎn)子在工作時(shí)，會(huì)以與定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此這種電機(jī)也被賦予了“同步”這個(gè)名稱(chēng)。相對(duì)于其他電機(jī)，在“永磁體”和“同步”等特征的加持下，這種電機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，制造與維護(hù)成本較低，而且由于沒(méi)有了碳刷和換向器的桎梏，電機(jī)整體運(yùn)行效率更高，因此在新能源汽車(chē)?yán)顺敝袀涫芮嗖A。

永磁同步電機(jī)擁有無(wú)可比擬的強(qiáng)大性能，但對(duì)選材要求也更加嚴(yán)格，尤其是對(duì)構(gòu)成定子轉(zhuǎn)子這類(lèi)核心部件的關(guān)鍵材料，在制備過(guò)程中要求就更為苛刻。無(wú)論是電機(jī)的轉(zhuǎn)子還是定子，都有一個(gè)不可或缺的關(guān)鍵部件——電機(jī)鐵芯。這個(gè)部件主要作用是用于放置導(dǎo)電繞組，同時(shí)也起到勵(lì)磁磁場(chǎng)“放大器”的作用，相當(dāng)于定子與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)里的“定海神針”。毫不夸張地說(shuō)，鐵芯的優(yōu)劣，直接關(guān)系到電機(jī)的整體性能，而目前電機(jī)的鐵芯是用大量的軟磁材料加工制造而成的。人類(lèi)的材料科學(xué)發(fā)展到今日，以非晶、鐵氧體等為代表的新型軟磁材料紛紛涌現(xiàn)，但具體到新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)這個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，真正成熟可靠的材料還是傳統(tǒng)的硅鋼。安冬洋介紹道：“硅鋼也被稱(chēng)為電工鋼，相比非晶及納米晶軟磁材料，硅鋼的綜合性能更優(yōu)異，同時(shí)成本相對(duì)較低，可以保證大規(guī)模生產(chǎn)?！?/p>

硅鋼早在19世紀(jì)末就已經(jīng)被研制出來(lái)，是有史以來(lái)第一種用于交變強(qiáng)磁場(chǎng)的軟磁材料，發(fā)展到現(xiàn)在，工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，是產(chǎn)量最大的金屬功能材料。普通硅鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以達(dá)到2.0T以上(T為特斯拉，是推導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度的國(guó)際單位),而一般電機(jī)所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度只有1.5~1.7T?！傲硗猓啾确蔷У炔牧?，硅鋼韌性較好，適合采用沖壓工藝，將硅鋼一片一片地疊起來(lái)，制成電機(jī)的鐵芯?！卑捕髲?qiáng)調(diào)道。

低鐵損和高磁導(dǎo)率，使得硅鋼成為制造電機(jī)鐵芯理想的軟磁材料。由于鋼鐵本身就屬于晶體結(jié)構(gòu)，根據(jù)本身晶體組織方向的分布情況，硅鋼還可以被分為取向硅鋼和無(wú)取向硅鋼，前者的晶體組織具有一定的分布規(guī)律和方向，后者則呈現(xiàn)相對(duì)的無(wú)規(guī)則取向分布，二者故而得名。“由于取向硅鋼在特定方向優(yōu)異的特性，因此它主要用于制造固定磁力線分布的變壓器等設(shè)備。而無(wú)取向硅鋼則適合用在制造具有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁力線的電氣結(jié)構(gòu)上。”安冬洋介紹道，因此，用于制造電機(jī)鐵芯的軟磁材料的真名應(yīng)該叫“無(wú)取向硅鋼”。

在新能源汽車(chē)的大潮面前，市場(chǎng)又對(duì)硅鋼的性能提出了更高的要求。

安冬洋指出，目前硅鋼制備工藝面臨三個(gè)方面的挑戰(zhàn)：首先，不同于傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的純電汽車(chē)一般是沒(méi)有變速箱的。在汽車(chē)加速過(guò)程中，由于沒(méi)有換擋機(jī)構(gòu)存在，汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行速度范圍很寬，這就意味著電機(jī)是可以從0直接加速到2萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘，電機(jī)高速運(yùn)行意味著電機(jī)頻率的升高，大幅增加了定子和轉(zhuǎn)子上的硅鋼材料熱損耗。如何降低損耗，是硅鋼制備工藝面臨的一大難題。

其次，在電機(jī)的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力，加上轉(zhuǎn)子內(nèi)部需要設(shè)置凹槽以放置永磁體，這就讓轉(zhuǎn)子面臨發(fā)生形變甚至斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)電機(jī)的安全性極為不利。這就要求轉(zhuǎn)子上的硅鋼材料要有很高的屈服強(qiáng)度來(lái)消除這些潛在風(fēng)險(xiǎn)。

最后，目前用戶(hù)選擇新能源車(chē)，已經(jīng)不僅滿(mǎn)足于代步的功能，更青睞于主觀的駕乘體驗(yàn)，其中就包括“推背感”“零百加速性能”,而這就直接取決于電機(jī)軟磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即將電轉(zhuǎn)變成磁的能力。磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值不同，驅(qū)動(dòng)電機(jī)所帶來(lái)的推背感是截然不同的。因此，提升硅鋼的導(dǎo)磁能力也是科研人員面臨的重大課題。

“從95分挑戰(zhàn)100分”:創(chuàng)新之路上的鍥而不舍

就如同奧運(yùn)會(huì)所追求的“更快、更高、更強(qiáng)”的宗旨一樣，這注定是一場(chǎng)考驗(yàn)科研人員智慧、毅力與耐心的競(jìng)賽。

在競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化的新能源汽車(chē)市場(chǎng)，為迎合消費(fèi)者與日俱增的需求，不僅各大車(chē)企八仙過(guò)海、各顯神通，配套主機(jī)廠也在絞盡腦汁、推陳出新；而當(dāng)壓力傳遞到負(fù)責(zé)材料制備的鋼鐵企業(yè)這些上游廠商，則更是怎一個(gè)“卷”字了得!面對(duì)這樣制約，比如添加的稀土元素的量如何掌握得恰到好處；量添加得合適，但材料性能如何保證穩(wěn)定等等?！卑捕蠼忉尩溃拔覀儓F(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一套模型系統(tǒng)，將所有工藝流程中可能出現(xiàn)的干擾點(diǎn)全部考慮進(jìn)去，來(lái)幫助我們精確地進(jìn)行稀土處理?！边@一方法有效地降低了硫化物為代表的析出物數(shù)量。

“另外，我們還通過(guò)在冶煉過(guò)程中限制空氣中氮元素與鋼水的接觸，并在后續(xù)熱處理過(guò)程中采取一些特殊的處理方法，限制氮元素進(jìn)入鋼機(jī)體內(nèi)，這樣又有效地降低了氮化鋁這種析出物的數(shù)量，使得材料的磁性能得到極大的改善?！卑捕笸瑫r(shí)介紹道。

其次，由于鋼鐵本身屬于晶體結(jié)構(gòu)，硅鋼內(nèi)部細(xì)小的晶粒在空間的分布是不規(guī)則的，但如果在生產(chǎn)過(guò)程中使用一些加工方法進(jìn)行處理后，這些散兵游勇一樣的晶粒就像被指揮官整治的隊(duì)伍一般，會(huì)在分布狀態(tài)上呈現(xiàn)一定的規(guī)則性，這種位相分布被稱(chēng)為織構(gòu)。在織構(gòu)的影響下，材料的特性也會(huì)受到改變，當(dāng)然也包括材料的導(dǎo)磁能力。研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地應(yīng)用一種“{114}織構(gòu)”,通過(guò)一系列工藝控制提升這一織構(gòu)在材料中的比例，從而有效提升了硅鋼的導(dǎo)磁能力。

最后，硅鋼需要更高的強(qiáng)度來(lái)抵抗電機(jī)高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的離心力，如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)呢?目前通用的方式是固溶強(qiáng)化，即在冶煉過(guò)程中添加硅、鋁等合金，有效提升材料的電阻率，這樣就能降低電機(jī)在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于渦流而造成的能量損失，同時(shí)有效地提高材料的強(qiáng)度。“但問(wèn)題在于，合金添加量是有極限的，如果超過(guò)了這一極限，材料在軋制的時(shí)候就會(huì)非常容易斷裂，這一極限也對(duì)應(yīng)了材料的強(qiáng)度極限。”安冬洋強(qiáng)調(diào)道。這其實(shí)就是“過(guò)強(qiáng)易折，至堅(jiān)易斷”的道理。對(duì)此，研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建多元合金固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)與固溶復(fù)合強(qiáng)化兩種模型，對(duì)生產(chǎn)工藝流程作了一系列優(yōu)化，成功將硅鋼的屈服強(qiáng)度極限做到了490兆帕甚至900兆帕這一前所未有的水平。放眼全球，其他國(guó)家的鋼鐵企業(yè)最多也就做到450兆帕這個(gè)水平。

首鋼這一系列創(chuàng)新工藝與方法，使得國(guó)產(chǎn)硅鋼制備與生產(chǎn)水平又上了一個(gè)臺(tái)階，也讓國(guó)產(chǎn)新能源汽車(chē)有了更廣闊的性能提升空間。但安冬洋同時(shí)也說(shuō)道：“硅鋼畢竟還是鋼鐵材料，鋼材生產(chǎn)的工藝流程并沒(méi)有發(fā)生變革，各國(guó)的鋼鐵企業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵，還是在于一些技術(shù)細(xì)節(jié)之處，比如相同的工藝?yán)?，我們將雜質(zhì)含量降低到極致，就會(huì)導(dǎo)致材料的性能天差地別!”這種技術(shù)上的細(xì)微創(chuàng)新，足以在生產(chǎn)上產(chǎn)生天翻地覆的改變，就好像武林高手們賴(lài)以行走江湖的獨(dú)家秘籍，在世界各國(guó)都被以專(zhuān)利形式加以保護(hù)。目前安冬洋所在團(tuán)隊(duì)研發(fā)的這一系列軟磁材料研制方法已經(jīng)在逐步得到推廣，所生產(chǎn)的硅鋼產(chǎn)品也得到認(rèn)可并開(kāi)始被不少主流車(chē)企使用，但在目前中國(guó)新能源車(chē)市場(chǎng)急劇“內(nèi)卷”的形勢(shì)面前，未來(lái)的創(chuàng)新之路依然任重道遠(yuǎn)。安冬洋就感慨道：“我接觸過(guò)那么多的客戶(hù)，國(guó)內(nèi)國(guó)外的都有，一個(gè)深刻的感受就是國(guó)內(nèi)的車(chē)企對(duì)于研發(fā)進(jìn)度要求越來(lái)越高，鋼鐵行業(yè)本身作為一個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)，在技術(shù)上要得到提升，必須要越做越精細(xì)。”

不過(guò)對(duì)于未來(lái)，作為工程師的安冬洋還是充滿(mǎn)信心：“材料的強(qiáng)度要更高，鐵損要更低，這些行業(yè)要求在未來(lái)將是一個(gè)持續(xù)性的話(huà)題。我們正在努力開(kāi)發(fā)更薄的硅鋼材料，以在強(qiáng)度和鐵損之間做到進(jìn)一步兼顧，我們甚至在研究將取向硅鋼材料應(yīng)用到電機(jī)中去。”另外，研發(fā)團(tuán)隊(duì)也在研究如何讓材料在客戶(hù)的使用過(guò)程中發(fā)揮最大的效能，他們專(zhuān)門(mén)組建了一個(gè)電機(jī)實(shí)驗(yàn)室，模擬從材料制備到電機(jī)制作的全產(chǎn)業(yè)流程，全方位地理解客戶(hù)的需求?！拔覈?guó)在軟磁材料開(kāi)發(fā)方面絕對(duì)是世界頂尖水平，但就好比我已經(jīng)考了95分，但要向100分發(fā)起挑戰(zhàn)，創(chuàng)新的難度肯定會(huì)越來(lái)越大。”安冬洋最后說(shuō)道。