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新能源汽車，尤其是B級和C級以上電動車的驅動功率一般在180kW以上，需要配置兩套及以上電驅動系統。隨著高端電動車占比不斷提升，將帶動新能源驅動電機裝機量進一步增長。而永磁同步電機借助其功率密度高、能耗低、體積小、重量輕等優勢，在中國新能源汽車中應用最為廣泛，在2021年占全部裝機量的94.4%。驅動電機是新能源車的三大核心部件之一，其未來發展方向是高速化、高功率化。這就要求電機在相同功率下盡可能地降低電機的體積、重量與鐵耗，但降低電機的體積和重量會導致電機轉矩降低， 因此需要提升電機轉速。如Prius2015款電機轉速幾乎達到了 Prius2004款電機的3倍，而峰值轉矩呈現降低的趨勢。通過高速電機與減速箱配合，將高速低轉矩輸入轉變為低速大轉矩輸出，進而達到驅動新能源汽車的目的。

驅動電機的高速化和高功率化也對電機材料提出了更高的要求，尤其是由無取向硅鋼片疊壓制成的定轉子鐵芯，不僅直接決定了電機功率、轉矩、鐵耗、溫升等，還影響了新能源車的續航里程。如于2018年先后在日本、北美 及歐洲地區上市的Nissan Leaf II，其電池容量僅有40kWh，但續航里程可達400km，與電池容量60kWh的特斯拉Model S相同。這是因為Nissan Leaf II 使用永磁同步電機作為驅動電機，以永磁體提供勵磁，無需勵磁電流，因此沒有勵磁損耗，損耗低、效率高。除此之外，Nissan Leaf II驅動電機的定轉子鐵芯由厚度為0.25mm的硅鋼片疊壓而成，可以降低鐵耗，進一步提升電機效率。2016款BWM i3的驅動電機鐵芯由厚度為0.27mm的硅鋼片疊壓而成，轉子鐵芯存在大量減重孔，以此降低電機重量，提升電機功率密度。因此，為提升電機的效率及功率密度，電機用硅鋼片已由傳統的0.35mm、0.50mm 減薄至0.25mm、0.27mm。可以預見，隨著電機轉速的提升，更薄規格、更低鐵損的硅鋼將會逐步應用于新能源汽車驅動電機。

制造驅動電機定轉子鐵芯的冷軋無取向硅鋼片，是決定功率能量轉化的關鍵軟磁材料。鐵芯中所產生的鐵耗是電機損耗的重要組成部分，尤其是電機運行在高轉速的工作狀態下，鐵耗占總損耗的比例顯著增大。在超高頻狀態下，僅渦流損耗就占了總損耗的40%-70%，因此這就要求硅鋼具有盡可能低的高頻鐵損，這既可以改善電機效率、提高新能源汽車續航里程，也可以抑制溫升、避免永磁體的退磁；在車輛起步和低速爬坡階段，電機需要輸出足以帶動汽車啟動的巨大扭矩，因此需要具有盡可能高的磁感。此外，高速運轉時巨大的離心力以及嚴苛的定轉子間隙設計還要求轉子材料具有更高的屈服強度。因此，高轉速、高功率密度的新能源汽車驅動電機要求采用具有更薄規格（≤0.35mm）、更低高頻鐵損、更高磁感、高屈服強度的冷軋無取向硅鋼片。

由于新能源汽車驅動電機用高強無取向硅鋼產品工序流程長、工藝窗口窄、生產難度大，全球具備大批量穩定生產能力的企業較少。目前，新能源汽車驅動電機用無取向硅鋼國際上有日本JFE、日本制鐵、韓國浦項等企業能夠生產，而國內也只有寶鋼、首鋼、太鋼等少數企業可批量生產。隨著新能源汽車的快速發展，國內外對新能源汽車驅動電機用無取向硅鋼的市場需求旺盛，國內外一些企業紛紛新建新能源汽車驅動電機用無取向硅鋼的生產線。本文將介紹國內外新能源汽車驅動電機用高強無取向硅鋼片的產品、技術路線和市場情況，為新能源汽車驅動電機用無取向硅鋼產品開發和生產提供參考。

電機所用硅鋼片C、N含量均很低，其總和一般小于50ppm，但Si、Al含量較高，以保證低鐵損。驅動電機用硅鋼片的磁性能要求并不是很高，通常現有的如50W230和35W210等高牌號無取向硅鋼或者高效電機類無取向硅鋼如35WH230和50WH300等這類牌號的成分體系就可以滿足磁性能的要求，這也是目前市場上所提供的新能源汽車用無取向硅鋼產品系列的主要來源。但高轉速驅動電機所要求的硅鋼片要較傳統無取向硅鋼強度高200MPa以上，且在提高強度的同時不損害磁性能。傳統硅鋼通過Si的固溶強化可提高強度同時降低鐵損，但惡化了磁感，且最多只能提高至550MPa左右，一般不超過500MPa。更高Si含量導致不可軋制。因此需要新的強化機制提高強度。由于硅鋼產品為了防止磁滯時效，其C、N含量均很低，無法進行間隙原子固溶強化和相變強化。因此可行的強化機制只有代位原子固溶強化、析出強化或者變形強化。但無取向硅鋼的鐵損、磁感及強度是互斥關系，提高磁感、強度的方法往往會損傷鐵損，因此，為了同時獲得硅鋼的低鐵損、高磁感和高強度，需要精心選擇強化路線和設計生產工藝，以實現力學性能與磁性能的優化。日本是全球最早從事新能源汽車研發與生產的國家，其相關技術開發最早、技術儲備也最多。日本從1980 年起就開始研究高強度無取向硅鋼，代表廠家主要為新日鐵、JFE 和住友金屬。由于最終采用的強化技術路線涉及到各公司的商業機密，因此鮮有這方面的詳細研發報告發表，取而代之的是這三家公司在其本國或是其他國家申請的逾百項高強度無取向硅鋼專利，這些專利大多是為了覆蓋和掩蓋其真實的工藝技術而設立的，因此需要結合科學規律詳細分析這些專利文獻，發現它們所遵循的研發思路。

這些專利主要涉及到無取向硅鋼強化的三種技術路線，包括固溶強化、位錯強化和析出強化。新日鐵在1990 年以前公開的專利中主要采用Si、P、Mn、Ni的固溶強化，但有時也會用到Cr、Mo、Cu、Ti 等其他合金元素，并且為達到高強度一般會適當控制成品材的晶粒尺寸。該公司采用的主要強化手段是P、Mn、Ni 等元素的固溶強化。但需注意P雖然固溶強化效果很好，但易在晶界偏聚引起鋼板脆裂，需要采取特別工藝措施加以避免。固溶強化的最大特點就是可以在提高強度的同時而不損傷磁感和鐵損。

新日鐵于2002 年11 月公布的高強度無取向硅鋼片HST系列，有0.5mm，0.35mm和0.2mm三個規格，其典型磁性能和屈服強度如圖1所示。0.2mm和0.5mm厚度屈服強度在780MPa級別時，其P1.0/400分別只有38W/kg和52W/kg；而0.35mm厚度屈服強度570MPa級別的P1.0/400為30W/kg。圖1也將其與高效電機用0.35mm和0.50mm的高效無取向硅鋼的性能進行了比較，由此可見，在同樣的厚度規格情況下，磁性能雖然略有下降，但屈服強度大約提高了1倍以上，材料的抗變形能力顯著增強，實現了預期目的。我們推測新日鐵這一時期所開發的高強度無取向硅鋼片是基于固溶強化技術路線。

由于固溶強化往往使用昂貴的金屬鎳，導致合金成本顯著上升，而且固溶強化增加了軋制前的強度，使得軋制難度增大，因此住友金屬在2011年申請的美國專利中提出了加入Nb、Ti、V、Zr這一類微合金元素的方法，一方面形成細小碳化物粒子通過析出強化提高強度，另一方面是通過固溶Nb抑制退火時的再結晶，使得再結晶分數不超過90%，保留了部位冷加工位錯壁等缺陷，使得強度不會因再結晶顯著下降。根據這一技術所開發的SXRC系列高強度無取向硅鋼的性能如表1所示。與普通無取向硅鋼相比，在類似的高頻鐵損下強度顯著提高1倍以上，但與圖1中新日鐵產品相比，鐵損相差很多。住友金屬認為雖然位錯強化導致鐵損顯著增大。但是轉子比定子用硅鋼片的容許鐵損要大很多。位錯強化工藝簡單易行，成本經濟。韓國浦項近年來所開發的新能源無取向硅鋼產品性能見表2，其中35PNT650Y產品牌號的力學性能與磁性能與住友金屬的SXRC690非常接近，應是采用了同一強化類型的技術路線所致。

新日鐵在2012年與住友金屬合并之初，其所提供的高強無取向硅鋼產品手冊中的性能指標如表3所示，在同一強度級別下磁性能與之前住友金屬的產品水平相當，而遠遜于早期新日鐵所開發牌號的磁性能。這種將降級技術應用于工業生產的技術路線選擇，我們推測是日本企業基于日本新能源汽車多為混合動力、以及鋼鐵企業與汽車企業進行利潤博弈的現實路線選擇。事實上，日本鋼鐵企業也有既提高強度也不犧牲磁性能的技術儲備和專利方案，如新日鐵后期提出的Cu 金屬相析出強化的若干專利方案就具有明顯的性能優勢。Cu 金屬相降低飽和磁通密度的作用很小，而且與碳氮化物相比，對磁疇壁移動的阻礙作用較小，因此可以實現提高強度而不惡化磁性能的目的。另外，可以通過控軋控冷和退火工藝可以不析出或少析出Cu相，保證冷軋和沖片的工藝性能，而在疊片后時效處理中讓Cu相析出提高強度。這樣，在時效前的鋼板一直是處于一個相對“軟質”的狀態，冷軋及其沖片過程中的成材率相對較高。為了防止Cu 金屬相嚴重惡化磁性能，專利中一般都對Cu 金屬相的尺寸、密度作出規定。

3.1 產品情況和市場分析

國內新能源汽車呈現爆發式增長，預計2022年國內新能源汽車銷量將達到500萬-600萬輛，遠遠超過其他國家，主要汽車廠家有：特斯拉、比亞迪、上汽通用五菱、大眾、寶馬、奔馳、沃爾沃等。我國是全球最大的新能源汽車驅動電機制造市場，在中國本土制造的驅動電機會通過供應鏈裝備到海外的整車廠。新能源汽車驅動電機用無取向硅鋼，是全球無取向硅鋼廠一致認同的高牌號增量市場。2021年，主流鋼廠合計銷量約35萬-38萬噸，其中占比最高的分別是寶鋼、首鋼、太鋼。在市場的驅動下，日韓等老牌硅鋼企業和我國無取向硅鋼企業都在積極規劃和建設新能源汽車用無取向硅鋼生產線。我國企業生產的新能源汽車用無取向硅鋼產品牌號基本與日本新日鐵的產品系列類似，也包括0.35mm、0.30mm、0.27mm、0.20mm等不同的厚度規格與性能。如寶鋼生產的新能源汽車用無取向硅鋼包括普通型（AV）、高效型（AHV）、高磁感型（APV）、高效高強型（AHV-M）、高強度消除應力退火型（AHVR）以及高強度（AHS）等六個系列29個牌號，有B20AV1200、B30AV1500、B20AHV1200、B30AHV1500和B35AHS500等。2021年，寶鋼的新能源汽車用無取向硅鋼的產量全國最大，也是全球最大，國內市場占有率達到45%左右，同時還在建設50萬噸新能源汽車用無取向硅鋼項目。

首鋼的牌號有20SW1200、20SW1200H、35SW1700、25SWH1400、35SWYS600和35SWYS900等。35SWYS900牌號高強度產品和20SW1200H（屈服強度490MPa，鐵損P1.0/400為11.3W/kg）產品是其最優牌號。2022年，首鋼投產一條35萬噸/年的新能源汽車驅動電機專用生產線。另外，馬鋼利用六輥軋機已開發出0.25mm薄規格的新能源汽車用無取向硅鋼產品。

如果將新日鐵公布的典型高強無取向硅鋼片牌號的性能與我國寶武、首鋼集團的相應產品進行對比，如表4所示，可以看出寶鋼產品的性能位于圖1新日鐵高效系列牌號產品范圍，應是沒有采用額外強化手段的高效系列的延伸；而首鋼產品則應是位錯強化技術路線的典型性能，即強度和高頻鐵損均很高。

3.2 國內高強度無取向硅鋼片的研發與知識產權

由于新能源汽車的蓬勃發展，鋼鐵企業紛紛開展研制和生產驅動電機用高強無取向硅鋼片的研發與生產。同時，一些在冶金行業知名的大學和研究機構也陸續開展了相應的研發，并且都申請了相關專利。我們梳理了我國在高強無取向硅鋼片的所有授權的國家發明專利，如表5所示。這些專利大多是關于高強無取向硅鋼成分與制備工藝的新發明。其中北京科技大學的發明專利方案既包括利用Nb的合金化實現位錯強化的經濟型技術路線，也包括通過Cu、Ni合金化獲得屈服強度高達800MPa而高頻鐵損P1.0/400保持在21W/kg，同時實現了高強低鐵損；東北大學的發明專利則主要是基于薄帶鑄軋這一獨特的技術工藝路線來實現多個產品系列，創新性明顯。但讓人意外的是，這些知識產權多來自知名的冶金高校和最早生產硅鋼的企業武漢鋼鐵公司。雖然寶武集團和首鋼集團硅鋼產品在國內居于領先地位，卻未發現它們有與高強無取向硅鋼產品主體技術特征相關的知識產權。同時注意到，寶鋼股份在2022年8月17日晚間公告稱，收到日本制鐵就該公司向豐田汽車供應的電磁鋼板侵犯了其三項專利的起訴，合計索賠額超過30億元，案件將在日本東京地方法院開庭審理。這一不同尋常的知識產權訴訟，提醒我國企業需要加強與自己產品相關的知識產權建設，尤其是要形成與產品主要技術特征相關的、法律狀態清晰的知識產權，來避免此類糾紛和訴訟。另外，我國相關部門在科技獎勵的評選中，也應嚴格審查所申報的技術進步中，其主要技術特征是否有明確清晰的知識產權，促進我國企業增強國際競爭力。

從近年來新能源汽車驅動電機用戶對材料的選擇來看，國內原來大批量使用0.35mm厚度，現逐漸轉為0.27-0.30mm厚度；日系使用0.25-0.30mm厚度，對材料的鐵損、磁感和強度綜合性能要求更高；歐系和美系分別傾向使用0.27-0.30mm和0.25-0.30mm厚度，對材料的鐵損和強度性能要求最高。

新能源汽車驅動電機未來將向更高速、更高功率密度方向發展，因此，其所用硅鋼片將向著更低鐵損、更高磁感、更高屈服強度及更薄厚度方向發展。但硅鋼厚度不能無限減薄，當減薄至0.25mm以下時，電機在高速運轉的條件下，離心力較大，鐵芯磁橋薄弱處斷裂風險升高。而且高牌號硅鋼厚度持續減薄，原材料生產加工過程困難，成本上升，影響電機整體經濟性。因此從制造與加工成本方面綜合考慮，0.2-0.25mm厚度應該是未來一段時間內新能源汽車驅動電機用硅鋼的最佳厚度。

另外，日本制鐵目前采用的高強無取向硅鋼片的力學與磁性的綜合性能，遜于早期新日鐵開發的牌號，這應該與日本的新能源汽車多為混合動力的現狀相適應，因為混合動力對驅動電機的要求不同于純電動汽車，尤其是在續航里程焦慮、峰值功率高速運行導致的溫升等方面均有顯著不同，這更可能是基于日本國土狹小和人口稠密特點所導致的頻繁啟停、低速運行的典型城市路況條件，以及日本汽車企業早期在混合動力上投入了巨資的前提下，鋼鐵企業與汽車企業進行利潤博弈的臨時路線選擇，而非長遠的技術路線。而我國國土遼闊、地形地貌豐富、南北氣候差異巨大，這導致我國家庭用車通常都要在各種地理氣候條件下進行長途駕駛，因此，在我國純電動汽車的未來發展，除了要高度重視高能量密度電池的研發，驅動電機終會變得像燃油汽車發動機一樣重要，來適應國民需求，最終依然會以電池、電機的性能來作為劃分高性能電動汽車品牌檔次的主要技術指標。我國是工業電機的生產大國且出口眾多，相關工業基礎很好，但是我國企業多是跟蹤和模仿發達國家的產品技術，少有未雨綢繆的領先產品規劃，尤其是當高性能純電動汽車已成為不可逆轉的未來發展趨勢，一種為高轉速、高功率密度驅動電機配套的，同時擁有高強度、高磁感與低的高頻鐵損的無取向硅鋼片的技術路線將是未來必然的選擇。