随着我国汽车行业的飞速发展，燃油需求量越来越大，但我国石油资源并不富裕，并且燃油车会对环境产生较大的污染，这些问题引起了国家的重视，新能源车的发展成为缓解上述问题的有效途径。

目前新能源车用电机的主流铁心材料为冷轧无取向硅钢，在电机设计中，要同时考虑铁心材料的磁性、加工性和经济性等方面。主要考虑：低铁心损耗，保证电机的高效率；高磁感应强度，提升功率密度及转矩密度，保证电机的高效率［1-2］。随着电机转速的不断提高，降低铁心损耗，成为提升电机性能的首要任务。

1

新能源汽车驱动电机发展现状

电机作为新能源车的三大核心部件之一，其性能指标尤为重要，新能源车用电机的定转子铁心由导磁性能极强的硅钢片叠压而成，在电机中起导磁作用，硅钢片之间涂有绝缘漆，使硅钢片相互绝缘，降低涡流损耗。

NissanLeafⅡ于年先后在日本、北美及欧洲地区上市，电池容量仅有40ｋＷ·ｈ，但续航里程可达ｋｍ，与电池容量60ｋＷ·ｈ的特斯拉ModelS相同。

NissanLeafⅡ使用永磁同步电机作为驱动电机，以永磁体提供励磁，无需励磁电流，因此没有励磁损耗，损耗低、效率高。除此之外，NissanLeafⅡ驱动电机的定转子铁心由厚度为0.25mm的硅钢片叠压而成，可以降低铁耗，进一步提升电机效率。

款BMWi3的的驱动电机铁心由厚度为0.27mm的硅钢片叠压而成，转子铁心存在大量减重孔，以此降低电机重量，提升电机功率密度。

由以上两款电机可以得知，为提升电机的效率及功率密度，电机用硅钢片厚度已经由传统的0.35mm、0.50mm减薄至0.25mm、0.27mm。可以预见，随着电机转速的提升，更薄规格的硅钢片将会逐步应用于新能源车驱动电机。

2

硅钢在车用电机中的应用

2.1车用电机的发展趋势

高速化、高功率密度是未来驱动电机发展的方向，这就要求驱动电机在保证相同的功率下，尽可能地降低电机的体积及重量，但降低电机的体积和重量会导致电机转矩降低，因此需要提升电机转速。参考3款普锐斯电机参数（表１），可以更直观得到该结论。

Prius款电机转速几乎达到了Prius款电机的3倍，而峰值转矩呈现降低的趋势。通过高速电机与减速箱配合，将高速低转矩输入转变为低速大转矩输出，进而达到驱动新能源汽车的目的。

2.2新能源车对硅钢的要求

冷轧无取向硅钢在磁性能方面具有各向同性，主要用来制造电机定转子铁心，其各向同性保证了电机高速旋转时具有相对较低的损耗［3］。

电机定转子铁心中产生的铁耗是电机损耗的重要组成部分，尤其电机运行在高转速的工作状态下，铁耗占总损耗的比例增大。经统计，由于硅钢铁耗导致的电能损耗占全国全年发电量的6%［４］，在超高频状态下，仅涡流损耗就占总损耗的40%到70%。由此可见减少铁耗对提升电机效率的重要性。

降低铁耗对提升电机及新能源车的性能有很大的作用：第一，降低电机的温升，防止因电机内部温度过高，导致永磁体退磁的风险；第二，提升电能的利用率，提高新能源车的续航能力，有效推进新能源车的快速发展。

从图１可得到电机在不同运行工况下的损耗分布情况。红色曲线为电机的需求特性曲线，在电机起动时，可恒转矩运行，随着电机转速的增加，功率提升。当转速提升至n1时，电机功率不再增大，但可以恒功率运行，随着转速的继续增大，电机转矩下降。

低转速区域对应汽车的起步、爬坡等需要较大转矩输出的工况。该工况损耗以铜耗为主，要求硅钢具有较高的饱和磁密；随着电机转速的升高，铁耗占比提升，要求硅钢具有较小的铁耗。

2.3铁耗的影响因素分析

驱动电机转速较高，在高速工况下，铁耗较大，本节对铁耗的产生原因进行论述，并结合理论公式对影响电机铁耗的因素做出解释。

根据铁耗的生成机理，可将铁耗分为磁滞损耗和涡流损耗，其中，涡流损耗又可以分为经典涡流损耗和附加损耗［5］，表达式如下：

由于电机中磁场方向以较高的频率变化，在硅钢片中感应出涡流，就会产生涡流损耗。当磁密以正弦规律随时间变化时，电机涡流损耗的计算公式如下：

从式（4）可知，涡流损耗与频率ｆ、硅钢厚度ｄ的平方成正比，与电阻率ρ成反比，与国外学者Kleiner[6]等人研究电阻率对铁耗影响时得到的结论一致。

附加损耗又称为异常损耗，当磁密以正弦规律随时间变化时，可通过式（5）计算：

电机铁心中磁路走向及分布情况极为复杂，很难对铁心内部每一个连续的点进行磁密分析。本文采用有限元的基本思想，将铁心分割为多个很小的子区域，分别对每个子区域进行求解，最后总和起来得到整个区域的解。第ｉ个小区域的铁耗可用下式表示：

当前，新能源汽车驱动电机发展的趋势是高速化，当电机运行于高速工况时，铁耗占比较大，根据公式（4）可知，涡流损耗与硅钢厚度的平方成正比，所以降低涡流损耗可以以降低硅钢片的厚度为出发点。

新型薄规格硅钢片是硅钢的一个重要发展趋势。刘洋[7]等人对两种不同厚度的硅钢进行磁性能测量，当频率超过Hz后，薄规格的硅钢铁耗更低；朱诚意[8]在文章中提到，JEE通过降低硅钢的厚度，可以同时降低铁耗和永磁材料的热负荷。根据公式推理以及前人所做实验初步推断，使用薄规格的硅钢可以大幅降低电机的铁耗。

3

实验及仿真

为探究不同厚度硅钢在新能源汽车驱动电机中的区别，本章内容根据３种不同厚度硅钢材料的磁通密度、铁耗等数据，绘制B（磁通密度)-P(铁耗）曲线进行数据对比。再建立一款高速电机模型（8极48槽、最大转速r／min），分别使用３款不同厚度硅钢进行仿真，并绘制效率map对比图，对不同运行工况下的电机性能进行对比分析。

3.1磁性能对比

电机运行在极限转速工况时，会产生大量热量使电机内部温度上升，严重时会导致永磁体退磁，电机报废，因此对该工况点应重点分析。本文仿真所用电机模型极限转速10r／min左右，根据公式(9)可计算该转速对应频率为Hz：

从图２可以得出结论：35SW铁耗最高，27SW1次之，20SW1铁耗最小。在f=Hz时，3种材料铁耗略有差异，但Ｈz时，３种材料铁耗差别增大，薄规格硅钢低铁耗的优势得以体现。

由公式（９）可知，电机转速与频率成正比关系，可以推测当电机的额定转速较低时，电流工作频率也很低，不同厚度硅钢性能差距不大，考虑成本问题，可以根据实际情况选择性价比更高的硅钢。而高端车用电机的发展趋势是高速化，高速电机中铁耗占有很大比重，因此为了提升电机效率，更薄的硅钢将会逐渐应用于高速驱动电机。

３.２工况点分析

为继续验证上述推测，对1台８极48槽内置式永磁同步电机分别使用三种材料进行仿真分析。新能源汽车驱动电机运行工况复杂，转速范围较大，除了需要长时间额定工况下稳定工作运行以外，还要求电机可以在峰值工况下短时运行而不出现故障，故分别对电机额定功率低速运行和峰值功率高速运行两个工作点进行展开分析。

表２为应用三种材料的电机在额定功率低速运行（转速为7r/min，转矩为Ｎ·ｍ）和峰值功率高速运行（转速为r/min，转矩为Ｎ·ｍ）时的电机性能参数。

3.2.1额定功率低速工况

从损耗方面分析：在额定功率低速工况下，应用20SW1材料的电机铁耗仅有0.54kW，较应用35SW材料的电机减少0.17kW，约改善23.9%。应用27SW1材料的电机铁耗较应用35SW材料的电机改善仅为12.7%。但由于该工况电机转速较低，铁耗占总损耗比例不高，对电机效率的影响十分有限。

从温升方面分析：损耗面积比Hdiss-le是电机总损耗与电机定子外表面面积的比值，该数值越小，表示因损耗产生的发热量就越小，电机温升更低。通过对比数据可知，应用20SW1材料的电机在温升方面更有优势。

3.2.2峰值功率高速工况

电机峰值功率高速运行工况是对电机性能及质量的一大考验，该工况下，电机铁耗增加，电机内部温度快速上升，严重时可能会导致永磁体永久性退磁。故电机设计时要充分考虑该工况点的各项性能参数。

从损耗方面分析：电机在该工况下转速达到r/min，对应电流工作频率为Ｈz，电机铁耗较大。应用20SW1硅钢材料的电机较应用35SW硅钢材料的电机铁耗减少1.16ｋＷ，约改善45%；应用27SW1硅钢材料的电机较应用35SW硅钢材料电机铁耗降低0.74ｋＷ，约改善28.7%。在高速工况下，应用20SW1硅钢材料的电机铁耗改善极为明显，其效率达到96.05%，较应用35SW材料的电机提升0.93%。

图３分别展示了应用20SW1硅钢和35SW硅钢的电机在转速r/min时的铁耗分布，定子中的铁耗集中于转子磁极所正对的齿部，而转子中铁耗集中于转子表面与气隙相接触部分，转子内部铁耗较小，推测其原因为转子以同步转速旋转，内部铁耗较小，但转子表面受谐波影响，导致谐波损耗的产生。

由图3可知，20SW1硅钢材料的电机铁耗更低，损耗面积比Hdiss-le也更小，抑制温升效果将会更为明显，尤其是转子与气隙接触部分的铁耗可得到有效抑制，保证永磁体工作在安全的温度范围内。

3.3效率map分析

电机效率map图反映了电机在不同工况点下效率的分布，可根据效率map图分析电机的高效区间，判断电机适用于何种工况。本节内容以应用35SW材料的电机为基准，对比应用20SW1、27SW1两种材料电机的效率改善情况。

　　从图４中可以得出结论：两电机高效区分布形状大致相同，但在面积上存在差异。在低速区（0~0r/min，对应新能源汽车的起步阶段），两电机的等效率线基本重合，即效率无明显差异。

其原因为电机工作于低速区时，电流频率不超过Hz，结合图２及公式（６）分析，该工况下两电机铁耗差距极小，但随着电机转速的增加，电流频率提升，导致铁耗增加，在中高转速区域，两电机效率差异增大。

　　通过图４和图５，可以观察到三款电机高效区分布形状基本相同，仅高效区范围大小不同。而对比35SW，27SW1的改善效果略差于20SW1。

4

结论

通过理论分析及仿真验证，得到不同厚度硅钢对电机的影响，在电机设计过程中可根据设计需求进行选材，具体选材方式如下：

针对高性能新能源乘用车，例如比亚迪汉、特斯拉model3等车型，电机转速普遍高于r/min，所对应电流频率在Hz以上，此类型驱动电机设计时主要考虑电机性能，选择0.20mm厚度的硅钢材料，较0.35mm材料的电机效率最高可提升1.5%以上。

普通新能源乘用车的电机转速区间通常为0~10r/min，对应电流工作频率区间为~Hz，在该频率范围内，应用0.20mm厚度硅钢材料较0.27mm厚度材料的电机效率提升仅有0.1％～0.3％，而0.20mm厚度的硅钢价格远高于0.27mm厚度的硅钢，综合考虑电机性能及价格等因素，选择中等厚度（0.25~0.30mm）的硅钢材料性价比最高。

商用车驱动电机转速较低，一般在r/min以下，对应电流工作频率小于Hz。在低频工况下，应用0.2mm厚度的硅钢材料与应用0.35mm厚度的硅钢材料相比，效率提升不足0.3%。由此可见，对于该类型电机，应用薄规格硅钢材料的优势并不明显，因此选用0.35mm厚度的硅钢可在保证电机效率的前提下，大幅降低电机成本。