电工钢短缺:叠层电机的问题与解决方案

发布的埃里克•沃尔夫- 2022年1月20日

在半导体芯片短缺肆虐的同时,在某些电机市场上,第二个可能同样有问题的供应链障碍正在出现。

你可能已经知道半导体短缺了阻碍了1130万辆电动汽车的完工截至2022年1月。现在,制造商可以将电气钢添加到列表中。

如果你没有像对待芯片短缺那样认真对待钢材供应,你应该这样做。John Anton,定价和采购总监tIHS Markit他最近给出了一个严峻的前景:

“生产商已被通知,他们将对所有(2022年)的电气钢材进行分配,基本上是定量配给大多数人预计只有80%到90%的购买要求。电工钢材短缺对2022年和2023年全球经济的影响可能与半导体短缺(在2021年)一样严重。”

这种稀缺性肯定会影响正在进行的交通“电气化”.其他产品和行业也感受到了材料短缺的压力:

  • 吊扇
  • 家庭汽车/电器
  • 电动工具
  • 草坪及花园设备

如果你只做了8000个订单,而不是你的客户真正想要的10000个呢?拥有合适的技术或可用性的人(例如替代方案软磁复合材料或烧结软磁材料)可能会抢走另外2000个。

以下是2022年钢铁短缺持续的原因,它是如何影响电动汽车生产预测和数字的,以及原因你应该尽快考虑这些替代方案:

电工钢是怎么回事?2022年的短缺状况

电工钢(由于其含量通常被称为硅钢)多年来一直是汽车和替代汽车电气化趋势的核心。这种铁合金具有很强的磁性能,使其成为从电动机到变压器等应用的解决方案。电机铁芯材料当然,它是将电能转化为机械能的关键。

然而,由于制造商的原因,电动汽车生产统计数据正在下降缺乏足够的原料,不知道如何支点。

今天电机核心冲压(制造转子和定子)的问题是,它依赖于一种特定的电气钢类型-铁非晶粒取向电工钢(NOES)市场

与晶粒取向钢不同,非取向电气钢板用于需要多向磁化的电机和其他机器。特别是混合动力和电动发动机,需要一个特殊的“xEV”等级,这在目前尤其受到限制。

金属技术咨询公司(Metals Technology Consulting)的数据显示,到2023年,产能限制将变得严重。从2025年开始,如果不增加对NOES的大量投资,钢厂将“极不可能”满足需求。

问题是:为什么?

电工钢为什么会出现短缺?

由于以下几个因素,NOES钢材供应状况不佳:

1.扩大“电气化”

世界范围内的交通电气化一直在前进,只要必要的材料存在,就没有停止的迹象。

政府排放法规和消费者需求正在推动汽车和其他市场对“电气化”解决方案的需求。使这些设备有效运行岩心损失小,渗透率高),工程师使用特殊的磁性材料,如电工钢。

2.亚洲高度集中

生产电工用钢的工厂主要在中国。COVID-19大流行中国出口商遭受重创形式为航运港口不堪重负,运费飙升

部分原因是雄心勃勃拜登政府的汽车电气化目标美国的原始设备制造商正在争夺美国国内有限的钢铁资源。

美国和欧洲的汽车工业已经开始稀土电机磁体依赖亚洲以及其他产品。再加上电工钢,这是一个篮子里的很多鸡蛋。

3.生产商面临的高壁垒

对于一家公司来说,要想打入或扩大钢铁行业的细分市场,还有很长的路要走。

磨坊不是一天创造出来的——在最好的情况下,它需要3年的时间:

  • 获得许可
  • 工程师
  • 获得建筑设备
  • 构建

由于COVID对供应链的影响仍在持续,真相可能更接近4-5年。

这是针对已建立的供应商!可能需要一个新的供应商再过2-8年就可以生产了据IHS称,xev级钢。

俗话说“很难找到好帮手”,实际上也适用于冲压构成最终部件的层压硅钢片。全球只有20家专门从事电机铁芯层压冲压的公司更少的是印刷设备本身的生产商

4.有限的选择(?)

同样,不是任何一种金属板都可以用于需要高磁性的复杂应用。硅钢层合芯有助于产生和维持磁场,还有其他好处。

注意,“laminations, or nothing at all”在很大程度上是一个感知到的限制。可行的替代方案是存在的,即使有些工程师还没有意识到。稍后再详细讨论。

电工钢短缺如何伤害制造商

在美国,当地硅钢供应商努力应对政府的电动汽车目标,这将推高汽车成本。反过来,北美和欧洲的汽车制造商可能会因为更容易获得原材料(因此交货时间更短)而落后于外国竞争对手。

多米诺骨牌效应显而易见。

原型设计和发布计划当你被困在等待材料时,这将成为一场噩梦。没有多少时间去弄清楚什么可行,什么不可行,也没有多少时间回到画板上。

制造商如何应对电工钢短缺?

也许一个更紧迫的问题是:如果“2026年”的能力危机预测后来演变成“2024年”怎么办?你最好现在就开始计划。您的选择包括:

  1. 等着钢厂来解决这个问题吧
  2. 找回你的电气钢供应
  3. 考虑替代电机设计
  4. 整合和合作新材料解决方案(即smc)

等着钢厂来解决问题?

几个主要的钢铁生产商已宣布投资数百万美元在接下来的3-5年里,每一个都有能力。这是否足以满足全球电动汽车产量?

钢铁制造商可能考虑的另一个想法是制造略厚的钢板。这对汽车制造商来说有其缺点,比如更厚的床单产生更多的热量;这磁效率降低可能需要重新设计你的层压定子/转子铁芯。

这不是你想的那种快速的交换。

电工钢材回流?

一般来说,从亚洲采购的交货时间问题已经导致许多美国公司至少考虑将供应链转移回国内。然而,电力钢材的回流能力有限因为在美国生产的公司并不多。

替代电机设计?

需求孕育创新。

原始设备制造商和一级供应商可以寻找设计漏洞,以减少在电机级钢材上的支出。改变转子或定子的平面几何形状可以减少报废材料比你想象的要多。

轴向磁通电机是一个这样的替代设计,越来越受欢迎,由于其优越的扭矩和冷却能力。更好的是,它可以让你完全避免电气钢…

电机层压铁芯的电气用钢短缺-软磁复合粉末部件的替代品新材料的整合与合作?

再次,需求孕育创新。让我们重新思考如何处理整个电机制造过程,从设计到生产。

目前粉末冶金(PM)行业可用的设备和材料能够满足磁性钢层压不能满足的需求。从材料的角度来看,最新兴的替代品是软磁复合材料(SMC),一种具有电绝缘涂层的铁基粉末

粉末冶金材料工业有足够的能力接受新的应用程序。

大部分的开发和加工都在美国和欧洲进行。与钢铁厂不同的是,粉末冶金工厂不需要大量昂贵的设备来生产零件。

通过直接与具有材料和加工专业知识的零件制造商合作,您可以改善您当前的电机设计,稳定您的供应链。

粉末冶金材料的其他优点

可用性并不是唯一可能使粉末冶金成为下一个电机设计的竞争者的品质:

  • 〇磁性更强降低岩心损耗是可能的,即使零件尺寸和频率增加。
  • 〇形状灵活性因为您可以从头开始设计,所以PM可以让您自由地设计复杂而独特的几何图形。这是进入轴向和其他替代电机配置的完美入口。
  • 〇绿色科技转子或定子分层会产生30-75%的废料,这取决于设计。更不用说电动钢厂是巨大的污染者,这与电动汽车的目标相矛盾使用绿色科技
  • 〇增长潜力smc只有几十年的历史,但在许多应用中,它在性能和成本方面已经与层压板具有竞争力。想象一下几年后的可能性吧!

软磁复合材料是一种交流专用材料烧结粉末金属在直流应用中表现优异。烧结软磁材料当项目需要比SMC提供更多的渗透性和强度时,通常会介入。使用一些先进的冷却解决方案,这些烧结选项仍然可以提供令人印象深刻的磁性,即使在极低频

接下来的问题是:您的电机概念能否克服转换为PM与层压板的任何潜在缺点,同时保持成本效益?由于粉末金属材料是高度可定制的,这些最好是与经验丰富的PM供应商进行讨论。

现在计划或以后付款

电动汽车钢材短缺的唯一长期解决方案要么是钢厂增加产量,要么是汽车工程师重新想象他们的设计。

只有一个选择能让你掌握主动权。

再想想半导体短缺。整车厂要么被困在等待中,要么积极寻找替代方案。

如果你是一名汽车设计师,希望在迫在眉睫的钢铁危机中保持领先,那就采取主动的方法——重新考虑你的设计。不同的电机核心材料可能是关键。

粉末冶金行业和SMC已经准备好满足这些需求。如欲了解更多有关交流电机材料及SMC的资料,请下载此免费电子书:

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