電動車馬達電磁鋼片開發 (MC01)

3.1.4.1 前言

混合動力車或純電動車因可減少汽油能源使用，對於環境保護具正面的效益，近年來 發展漸趨明朗，將成為先進國家未來汽車的主要選項，也是世界各大車廠積極投入之新市 場。其中電動車大廠特斯拉(Tesla)繼高價 Model S、X 後更大力推動平價 Model 3 新車款，

同時以歐盟為主的各國正立法，自 2019 年起新屋或翻修屋須裝設充電裝置，挪威及荷蘭 2025 年前禁售燃料車，德國 2030 年前全面電動車化。據統計：全球 2016 年新能源車約 75 萬輛，其中Tesla 占約 10%約為 7.6 萬輛，以每台 70kg 電磁鋼片用量估計，全球新能源車 約有5 萬噸 ES 需求，2017 年之後因應政策發展估計將有重大需求成長。如圖 MC01-1 之 電動車銷售預測顯示2040 年新能源車預估達 4 千萬輛，ES 用鋼需求達約 240 萬噸，以上 足見電動車的發展勢在必行且需求量極大。電動車馬達的基礎材料為電磁鋼片，使用適當 的電磁鋼片將有助於提高馬達運轉效率，故電磁鋼片是現今值得重視與發展之綠色材料。

本分項計畫(MC01)即是因應這個用料需求，完成(第一年) 25CS1250FY 電磁鋼片開發；(第 二年) 25CS1200FY 電磁鋼片開發；(第三年) 20CS1150FY / 15CS1000FY 電磁鋼片開發。協 助中鋼加速完成各項次世代電動車馬達電磁鋼片開發和供料之目標。

圖MC01-1 全球電動車銷售預測

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3.1.4.2 研究目的

中鋼於2016 年已成功開發出 Tesla Model 3 電動車驅動馬達之 25CS1250HF 電磁鋼片，

其特性水準達鐵損 W10/400 12.2~12.4 W/kg；磁通 B50 1.63~1.65 T；常溫降伏強度 YS 390~410 MPa；高溫降伏強度 YS 330~350 MPa。雖然因 25CS1250HF 電磁鋼片產品的開發 成功，獲得了電動車大廠Tesla 的訂單也爭取到各家車廠的關注與詢求供應，然而 Tesla 對 於強度的要求中鋼還未充分滿足，例如常溫降伏強度YS ≥ 400 MPa。同時 Tesla 也提出降 低高頻鐵損20%的未來需求。另外一家汽車大廠亦提出磁通 B50 ≥ 1.65 T 的要求，而現況 為磁通尚不穩定的在1.63~1.65 T 間變化，若要滿足其需求應將磁通目標值定為 B50 = 1.66 T，由前述要求對應的是本研究中 25CS1250FY 開發。綜合上述之客戶提出之規格產品，藉 由本計畫將進一步朝向更低鐵損、更高磁通、更高強度的電磁鋼片開發，其中25CS1250FY 電磁鋼片目標及時程如下：

 特性目標：厚度 0.25 mm，鐵損 W10/400 ≤ 12.5W/kg，磁通密度 B50 ≥ 1.65T，降 伏強度YS ≥ 400MPa。

 實驗室完成冶金製程開發。

 完成產線試製。

 預計完成日期：108 年 07 月

3.1.4.3 文獻探討

非方向性電磁鋼片的鐵損與磁通主要受到化學組成、析出物與夾雜物、晶粒尺寸、集 合組織、殘留應力與差排的影響(圖 MC01-2 及圖 MC01-3 所示)。而上述之冶金要因又與各 階段之製程方法習習相關，因此本報告將文獻作一整理與說明。

圖MC01-2 影響鐵損之冶金因子

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圖MC01-3 影響磁通之冶金因子

合金元素的效應主要分為三類，第一類之作用如 Si、Al、Mn 等提高鋼材電阻率及降 低渦流損之功能。以添加Si 為例，Si 含量增加時如底下之公式有提升電阻的效果：



cm



1310.52Si11.82Al6.25Mn6.5Cr14P



wt%





進而渦流損及鐵損降低，磁異向性亦會降低，但同時因 Si 為非磁性元素而稀釋了 Fe 的比例與作用，因而磁通也隨之降低。為了降低鐵損的同時也能提高磁通，JFE 利用(1)優 化Si、Al 含量，(2)添加晶界偏聚元素及製程控制以增加(110)、(100)集合組織，(3)降低雜 質元素S, N, O 等三種方法開發出如圖 MC01-4 之高磁通 35JNE 系列鋼材。

圖MC01-4 電動車低速高扭力需求所開發之高磁通 35JNE 系列之電磁鋼片

第二類為晶界偏聚元素如 Sb、Sn、P 等抑制軋延及退火後之晶界不良集合組織{111}

發展之作用，如圖MC01-5 所示：Sb 於熱軋板退火時會偏聚於晶界上，待冷軋及最終退火 之再結晶初期會抑制晶界附近上{111}成核，所以適當的 Sb 元素添加可以降低鐵損及增加 導磁率。除此之外，圖MC01-6 顯示 Sb 的另一個作用為增加剪切變形帶(deformation bands)，

變形帶為退火時有益磁性的{110}集合組織易成核的位置，尤其是熱軋板退火時大晶粒組織 抑制了晶界{111}的情況下，此效果更為顯著。值得一提的是文獻報導適量添加 Sb 約

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0.05wt%並不會影響晶粒尺寸的成長效應，因此具有改善集合組織與優化晶粒尺寸的雙重 良好效應。類似作用的元素尚有 Sn、P，其亦於適量添加下，有提高磁通與降低鐵損的效 果。

圖MC01-5 Sb 的冶金效應與鐵損、導磁率之影響

圖MC01-6 Sb 的添加增加軋延剪切帶及(110)成核作用

3.1.4.4 研究方法

本研究預定之流程如圖MC01-7 所示：製程包括基礎鋼材成分設計，熱軋、熱軋板退 火、冷軋、冷軋板退火。其中，熱軋條件相同於高規電磁鋼片；熱軋板退火則主要選擇退 火酸洗線退火方式。冷軋階段則為一次冷軋，最終水平塗覆線退火，需求晶粒尺寸朝晶粒 尺寸優化發展，因此選擇退火溫度的優化製程條件來進行。各個製程階段，分析顯微組織、

集合組織、軋延阻抗、磁性等…，並比較出化學組成、冷軋裁減率、退火溫度所造成的影 響。作為現場試製25CS1250FY 的參考。

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圖MC01-7 實驗流程與研究方法

3.1.4.5 結果與討論

電動車驅動馬達無論是感應馬達(IM)或永磁馬達(PM)的效率深受電磁損失的影響，其 中電磁損失包含了鐵損與銅損，為使電動車具備極高之效率，通常要求電磁鋼片具有極低 高頻鐵損W10/400≦12.5 W/kg 並兼具適當的磁通 B50≧1.65 T 使銅損不大幅增加。為了獲 得極低鐵損的特性，先前之研究已針對提高 Si+Al+Mn 元素以降低高頻鐵損、鋼片厚度減 薄以降低渦流損與總鐵損、晶粒尺寸對電磁特性之影響作過完整的研究，經由詳盡的實驗 計畫法及鐵損分離技術成功開發出厚度0.2 mm、W10/400 = 12.5 W/kg 之電磁鋼片產品。

基於前述之基礎，本研究進一步深入探討鐵損分離技術，並選擇磁滯損或渦流損占比較高 之項目進行重點改善，成功開發出厚度0.25 mm、W10/400 = 12.3 W/kg 的薄頂規電磁鋼片 產品，可因應未來電動車極低高頻鐵損之需求。

鐵損分離技術主要將電磁鋼片磁性量測的總鐵損(WT)分離成磁滯損(WH)與渦流損 (WE)，並具有底下關係式：

………..(1) 其中渦流損(WE)正比於頻率(f)平方與渦流損係數(KE)：

……….(2) 磁滯損(WH)與頻率(f)則為線性關係：

………..…(3)

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由第(3)式移項得知磁滯損係數(KH)為：

…………..……….(4) 代入兩個不同頻率的量測：

……….(5) 由第(5)式移項獲得渦流損係數(KE)之推導：

……...……..(6)

………(7) 經由兩個不同頻率之總鐵損(WT)量測可依第(7)式獲得渦流損係數(KE)，再代入第(2)式 獲得渦流損(WE)，最後再經第(1)計算出磁滯損(WH)，如此獲得同一厚度及頻率下之磁滯損 (WH)與渦流損(WE)的比例關係，藉以重點改善電磁鋼片的鐵損值。

本研究另透過實驗室成分設計及全製程模擬後，再經由最終磁性與機性量測分析出最 佳製程參數，再推動至現場試製以開發出25CS1250FY 之產品。期中階段已完成實驗室模 擬的試片顯微組織(如圖 MC01-8)與集合組織(如圖 MC01-9)的觀察，並已確認出各階段的 優化條件，於本研究的下半年發動現場試製，以開發出電動車驅動馬達所需的25CS1250FY 產品。

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熱 軋

熱 軋 板 退 火

冷 軋

退 火

圖MC01-8 各階段退火後金相

圖MC01-9 各階段集合組織分析

1000 μm

200 μm

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本研究開發之25CS1250FY 產品之特性及磁化曲線如下：

典型磁氣性質

電磁特性曲線

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3.1.4.6 關鍵技術突破與國際競爭力說明

電動車驅動馬達用電磁鋼片為前瞻性高端產品，除有益於中鋼公司生產技術形象，亦 可引領用料趨勢，創造需求外。近幾年中鋼與TESLA 車廠 EVI(早期供應商參與)共同開發 25CS1250HF，成為 TESLA 電動車馬達電磁鋼片的全球唯一供應商。預估 25CS1250FY 特 性優於原先之 25CS1250HF，將獲得除 TESLA 持續採購使用外，亦可獲得 VW、Audi、

TOYOTA、NISSAN、HONDA、BMW、PORSCHE、GM、FORD…等汽車大廠洽詢新產品 與新需求。成為電動車電磁鋼片的領先群供應商。

3.1.4.7 參考文獻

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在文檔中 新世代車用動力驅動關鍵模組整合設計之智能化平台建置( I ) (頁 150-162)