非晶合金在電機中的應(yīng)用

1、1引言1.1非晶合金促進電機產(chǎn)業(yè)發(fā)生重大變革節(jié)能環(huán)保、發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟已受到人們的廣泛重視，國家“十二五”規(guī)劃明確提出了以環(huán)境保護為重點的經(jīng)濟發(fā)展要求，2012年下半年出臺的節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃進一步提出了推動節(jié)能減排技術(shù)創(chuàng)新和推廣應(yīng)用的要求。電機是應(yīng)用量大、使用范圍廣的高耗能動力設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計，我國電機耗電約占工業(yè)用電總量的70%左右。因此，推行電機節(jié)能具有重要的經(jīng)濟效益和社會效益。非晶合金作為一種新型軟磁材料，具有優(yōu)異的電磁性能隔磁導(dǎo)率、低損耗）。將非晶合金材料應(yīng)用于電機鐵心來替代常規(guī)硅鋼片材料，能夠顯著降低電機的鐵耗、 提高電機效率，節(jié)能效果顯著，尤其對于鐵耗占主要部分的高頻電機應(yīng)用場合

2、（如電動車驅(qū)動電機、高速電主軸、航空發(fā)電機、艦船發(fā)電機和其他軍事領(lǐng)域等），節(jié)能效果更好，具有廣闊的應(yīng)用前景。從長遠(yuǎn)看，非晶合金材料的逐步推廣應(yīng)用，必將會使現(xiàn)有硅鋼片電機的市場地位受到挑戰(zhàn)。圖1為電機發(fā)展歷程中的幾個重大節(jié)點。國包機注履歷狎木的mtt看火與宇Srvrfii nutjur eh叫產(chǎn) duninjE dr-vrqu nwoCrir2非晶合金帶材的主要特點非晶材料作為一種新型軟磁功能材料，具有典型的“雙綠色”節(jié)能特征。表1給出了非晶合金帶材和冷軋硅鋼片的性能對比。從對比數(shù)據(jù)中可以看出非晶合金帶材突出的優(yōu)點是鐵耗極低，僅為冷軋硅鋼片的 1/51/10,甚至1/15,將非晶合金材料應(yīng)用于電

3、機鐵心來替代 常規(guī)硅鋼片材料，能夠顯著降低電機的鐵耗。但是其應(yīng)用于電機時有兩個弱點：物理性能薄、脆、硬，且磁性能對應(yīng)力非常敏感，需要開發(fā)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和制造工藝；飽和磁密低，目前僅 1. 56T,工作磁密小于1. 3T。如果電機定子鐵心的工作磁密設(shè)計值高于1 . 3T,需增加定子鐵心的尺寸。1Tib CwiMjiun H ”舊 產(chǎn)fewBiwplMUifl ail of Ririipft性廉版熱P HMtII才ZfiOSSAI2605 HW1M用她 第劇和智盤電| M+ a，保收r - JQ靳力15*小 4.51一4今片條brd. 140i MQ.97/(M-il -rfc)13001翔45育案

4、71S0TIBO7330聞。3551。489-413JW7464 -100M3事氏“fHl /(fwoMOIII4度/41114格*50 HaaowjMHe.30H1.L JT i21. 3T.I?1.3T, P- 171. Tt 注:工不曜火2非晶合金電機的研發(fā)動態(tài)1研發(fā)過程隨著變頻器的發(fā)展和大量應(yīng)用，非晶合金電機的運行頻率從早期的50Hz、60Hz發(fā)展到如今的幾百甚至上千赫茲。非晶合金材料在不斷發(fā)展，非晶合金電機的制造工藝、 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計技術(shù)也在不斷深入，電機的性能也在不斷提高。美國通用電氣公司 （GE距在1978年便申請了制造非晶合金定子鐵心的專利，非晶帶材一邊開槽一邊卷繞成圓柱形

5、鐵心。GE的研究人員于 1982年開發(fā)了一臺額定功率250W的非晶合金（牌號Met. glass2605SC異步電機樣機，這是首次在文獻資料公開發(fā)表的非晶合金電機？。美國萊特公司（LE屋目前世界上非晶合金電機做得最成功的企業(yè)之一，也是最早實現(xiàn)非晶電機產(chǎn)業(yè)化的公司，其產(chǎn)品均為軸向磁通非晶永磁電機。LE公司自1996年開始研究非晶合金在電機中的應(yīng)用，從1998年到2001年，該公司處于技術(shù)積累階段。 從2001年到2004年，該公司開始開發(fā)原型樣機和鐵心模型，并于2003年形成了一套適用于非晶合金軸向磁通電機定子鐵心加工的工藝體系心。從2004年到2006年，該公司開始進行非晶合金電機整機工藝和技

6、術(shù)開發(fā)，并著手尋找適宜的應(yīng)用場合。從 2007年到2009 年，LE公司開始將非晶合金軸向磁通永磁電機推向市場，進行初步的產(chǎn)品化。圖2為LE公司開發(fā)的典型非晶合金電機產(chǎn)品一一雙定子、單轉(zhuǎn)子軸向磁通永磁電機的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。4B 2 L公司開出的算票，/含金 向:通水田電機劉撲靖瞥田 F” 2 TapuiDficd vtiuriuw d ukw岫皿*.Ihy aqjaJ Hut pEFn，理I |i旭 1 iwlflr 而就勺由1 bf LE Co* v.LE公司以定子加工技術(shù)為核心，通過提高非晶電機極數(shù)和頻率以及優(yōu)化每極每相槽數(shù)和控制等手段，使其生產(chǎn)的非晶電機具有高效率、高轉(zhuǎn)矩和高功率密度等優(yōu)勢，在

7、燈 塔等移動發(fā)電機、電動車驅(qū)動電機等領(lǐng)域得到了一定規(guī)模的應(yīng)用。1999年美國Honeywell公司兼并了 Allied Sig nal公司，成立了非晶體業(yè)務(wù)部門一 一非晶體金屬公司（Metglas）, 2003年日本13立公司收購了 Metglas,成為世界上最大的 非晶合金材料制造商，同時研發(fā)出一批非晶合金電機。日立公司在2010年采用鐵心卷繞模塊拼接技術(shù)設(shè)計了一臺200W、2000r/min的非晶合金軸向磁通永磁電機，該電機的應(yīng)用場合定位為小型家用電器或工業(yè)驅(qū)動行業(yè)。2011年日立公司對鐵心拼接技術(shù)進行了改進以提高電機空間的利用率并減小了非晶合金定子的渦流損耗，改進后的技術(shù)成功應(yīng)用于一臺1

8、50W、2000r/min的樣機，該電機效率達(dá)到了90%,相比于上述 2010年的非晶合金樣機效率提高了5個百分點M1。2011年日立公司又開發(fā)了一種定子鐵心不開槽的400W、15000r/min的小型高速軸向磁通永磁電機，定子鐵心直接由非晶帶材 卷繞而成但不進行開槽”1, 13立公司于2012年采用該技術(shù)設(shè)計了一臺功率等級相對較大的11kW非晶合金軸向磁通電機舊1。綜上所述，從 2005年開始一直到2012年，日立公司的非晶合金電機開發(fā)經(jīng)歷了徑向磁通電機、卷繞鐵心軸向磁通電機、切割成型鐵 心軸向磁通電機三個不同的階段，形成了三種不同的定子鐵心結(jié)構(gòu)，樣機主要面向家電 和小型工業(yè)驅(qū)動領(lǐng)域。除了各

9、公司企業(yè)對非晶合金電機的研發(fā)攻關(guān)外，各高校科研院所也展開了非晶合金電機的攻關(guān)任務(wù)。1992年，美國威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校的T. A. Lipo教授采用卷繞非晶合金鐵心設(shè)計制造了一臺無刷直流電機1。電機采用雙轉(zhuǎn)子單定子的軸向磁通拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，定子鐵心用非晶帶材卷繞而成，不需要后續(xù)加工，因此降低了加工成本。該功率 375W、轉(zhuǎn)速1800r/min的非晶合金軸向磁通電機經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，效率大于90%,而相同規(guī)格異步電機的效率當(dāng)時只有75%80%。除了上述幾家具有代表性的單位外，在非晶合金電機領(lǐng)域還有很多機構(gòu)都進行了技術(shù)攻關(guān)。在非晶合金徑向磁通電機領(lǐng)域，日本東京理科大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)、波蘭羅茲 工業(yè)大學(xué)、波

10、蘭有色金屬研究所以及國內(nèi)的安泰科技有限公司等都有樣機制造；在非晶 合金軸向磁通電機領(lǐng)域，澳大利亞阿德萊德大學(xué)、悉尼科技大學(xué)以及我國湘電萊特電氣 有限公司（湘電萊特卜深圳華任興科技有限公司（華任興卜實能高科動力有限公司（實能高科）、精進電動科技有限公司（精進電動）等都對非晶合金軸向磁通電機進行了研究與生 產(chǎn)。2. 2初步解決定子鐵心難于加工和增加損耗的難題2. 2. 1軸向結(jié)構(gòu)LE公司于2003年形成了一套適用于軸向磁通非晶合金電機定子鐵心加工的工藝體系。該工藝首先將非晶帶材卷繞成固定尺寸的三維環(huán)形鐵心，經(jīng)退火、浸漆及固化處理后再銃削成定子鐵心，銃削過程如圖3所示。用耳】上心司開雙何軸中*fli

11、S電叫4 F帳。M】二過程超F(xiàn)iy. 3 Frwrikinf -Ualinr rate- For i.im1 (Iued八科niM g LE QNRpan)2005年日立公司將傳統(tǒng)的徑向磁通電機定子結(jié)構(gòu)進行了改造，使定子齒和軻分離, 定子齒通過鴿尾鍵槽配合鑲嵌在定子輾上。通過將定子齒換成非晶合金材料、定子物仍 采用硅鋼片材料，形成了日立公司第一代非晶合金電機，如圖 4所示。M4 II7JH M淤J* *點衲*幡餐聯(lián)明F電機周出不息留Fig qf- Ieri th utii nj; *nwrplickuasiiu Grl piaLli修kvJ Ay H i-IbcIi i2010年日立公司設(shè)計了

12、一臺 200W、2000r/min的軸向磁通非晶合金永磁電機，電機的疊壓系數(shù)約為 0. 9,該電機的定子鐵心由若干個鐵心模塊拼接而成，每個鐵心模塊采用非晶帶材卷繞的方式制成，并且在樹脂中進行真空壓力浸漆，以使得非晶層間良好絕緣；然后在鐵心模塊外圍套入預(yù)先繞制好的線圈；最后將沿圓周方向排布好的鐵心模塊通過環(huán)氧樹脂固定成一個整體。為了進一步減小鐵心模塊中的渦流損耗，在鐵心模塊的一個側(cè)面切出一道狹縫，以切斷渦流路徑。該電機的具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。該結(jié)構(gòu)可以看作是日立公司第二代非晶合金電機。A3門七司更代小鼎俞金嶷帙心冏出電槌小堂圖F咯 5 JkkeHHlK diaffFUfl 口1 5仃2由.11.

13、UEial Hus Hstvhxri*m wiiwIimK etc d HCXid jErimlanc by HiHshi日立公司于2011年提出了一種新的軸向磁通電機定子鐵心模塊結(jié)構(gòu)H1。該鐵心加工工藝簡述如下：先將非晶合金帶材卷繞成環(huán)形鐵心；再切割形所要求數(shù)量和尺寸的定子鐵心模塊；最后將繞制好的線圈套于鐵心模塊上。具體流程如圖 6所示。與卷繞鐵心 相比切割成型鐵心的渦流路徑被切斷，因而渦流損耗大大減小。作為一種嘗試，日立公 司于2011年開發(fā)了一種無齒槽結(jié)構(gòu)的電機，其實物圖如圖 7所示. 1。電機的定子鐵心 直接由非晶帶材卷繞成環(huán)形而不進行開槽，為了方便嵌線，將定子鐵心圓環(huán)分成兩部分，分別

14、套人線圈，再用樹脂將兩部分粘在一起。這種鐵心結(jié)構(gòu)工藝簡單、生產(chǎn)效率高，但 是氣隙增大導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩密度較低。該結(jié)構(gòu)可以看作是日立公司第三代非晶合金電機的另外 一種探索和嘗試。感6 口立卷前拜觀的第：代以去拿向限通電楫承口 Stfwnni4ic 4班期肺 st甲2* HI 口7 Ud flia 望ul Lllinl fmcralion Hil*f：h.i2. 2徑向結(jié)構(gòu)Metglas公司在其2000年申請的專利（專利號：US696086081）中，提出三種制作徑向磁通非晶電機定子鐵心的方法，如圖8所示。W8*叫皿公用餐&的 加小豆!1心的中種人譙Fy一國PmrtJurliWI rWfLbad r，al

15、 EM駟爭甘噸 捐枕i猴-noan Eftkf國學(xué),要塞扎法援川的網(wǎng)制帙心也匚工Z.Mtt昭 Q CcmipflritMin id priH-r* rf-fl tJ I電 CMifr*- pwirtr Jby Anlai Tc hnril3進行優(yōu)化設(shè)計。充分發(fā)揮非晶合金在提高功率 密度方面的優(yōu)勢(1)極數(shù)多可以提高轉(zhuǎn)矩密度，但單位體積的鐵耗加大論是徑向磁通電機還是軸磁通電機，極數(shù)增多每極磁通減小，電機的定子軻尺寸可以相應(yīng)減少，同樣功率的電機可以 減小體積，提高電機的轉(zhuǎn)矩密度；但是同時，相同轉(zhuǎn)速下，極數(shù)增加使得頻率增大，單 位體積的鐵耗隨之增大。而且受變頻器最高頻率的限制，要求變頻器電壓和電機感

16、應(yīng)電 動勢都近似正弦波。這些都需要綜合考慮，使總損耗最低。(2)采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組 分?jǐn)?shù)槽集中繞組的主要特點有： 節(jié)距Y=1,單齒繞，槽數(shù)少，減少制造難度； 繞組端部短，銅耗低； 線圈間不重疊，容錯能力強，而且電抗大，短路電流?。?諧波含量大，引起雜散損耗大，溫升高；諧波引起振動噪聲大。非晶電機利用分?jǐn)?shù)槽優(yōu)點，采用多極少槽結(jié)構(gòu)(例如2極3槽，每極每相槽數(shù)為 0. 5),并且應(yīng)該從冷卻系統(tǒng)和定子結(jié)構(gòu)上采取措施克服分?jǐn)?shù)槽的缺點，更要求變頻器提供正弦波電流以及采用 H級絕緣等進行優(yōu)化設(shè)計，充分發(fā)揮非晶合金的優(yōu)勢。3非晶合金電機的優(yōu)缺點基于以上對國內(nèi)外文獻的綜述，總結(jié)非晶電機優(yōu)缺點各有兩條，其優(yōu)點是效

17、率高、 功率密度高，缺點是生產(chǎn)成本高、振動噪聲大。1優(yōu)點1 . 1效率高非晶合金電機的高效率得益于非晶合金材料的低損耗特性。與傳統(tǒng)電機所采用的硅鋼片材料相比，非晶合金材料具有較大的電阻率，其電阻率一般為130UQ/cm,為傳統(tǒng)硅鋼片電阻率的 3倍。在高頻磁場中，大電阻率有效抑制了非晶合金帶材的渦流損耗，此外，渦流損耗與沖片厚度的平方成正比，非晶合金帶材的單片厚度僅有0. 025mm,所以非晶合金帶材的渦流損耗顯著低于冷軋硅鋼片。尤其是對于高頻電機，由于頻率的 升高，鐵心損耗占電機總損耗的比例很高，使用非晶合金鐵心效率提高更加明顯。例如，LE公司開發(fā)的7kW、2500r/min和24kW、350

18、0r/min非晶合金永磁發(fā)電機效率比相近 功率和轉(zhuǎn)速的常規(guī)硅鋼片發(fā)電機產(chǎn)品高出1. 5個百分點。2011年，中國鋼研科技集團及安泰科技股份有限公司李廣敏等人分別將非晶與硅鋼片鐵心裝配在一臺額定功率5kW、額定轉(zhuǎn)速8000r/min的無刷直流電機中進行仿真與測試， 測試結(jié)果表明，當(dāng)電機 定子為非晶合金時，電機效率可達(dá) 88. 58%,硅鋼片鐵心電機的效率為 85. 5%,非晶 合金電機的效率提高了 3. 08個百分點?？梢姺蔷Ш辖鹪陔姍C上的應(yīng)用明顯降低了電機鐵耗，通過優(yōu)化非晶合金電機的設(shè)計就可以實現(xiàn)高效率。1 . 2功率密度高現(xiàn)代電機發(fā)展的顯著特點是高效、節(jié)能、重量輕、體積小，在工業(yè)設(shè)備有限的空

19、間 里留給電機的安裝空間十分有限，這就對電機的功率密度提出了很高的要求。非晶合金 電機的優(yōu)異磁特性與電機優(yōu)化設(shè)計的結(jié)合使得非晶合金電機的功率密度相對傳統(tǒng)電機 來說更具優(yōu)越性。在相同功率、相同轉(zhuǎn)速情況下，非晶合金電機的極數(shù)和頻率可以提高，可高達(dá)上千 赫茲，這也使得非晶合金電機在高功率密度方面更具競爭力。例如， LE官方網(wǎng)站的數(shù)據(jù) 顯示，LE的非晶高效發(fā)電機的功率密度涵蓋了0. 3751. 765kW/kg的范圍，其中G42L2型號的非晶合金高效發(fā)電機的額定功率為100kW,峰值功率高達(dá)150kW,功率密度最高為1. 765kW/kg； LE的非晶高效節(jié)能驅(qū)動電機的功率密度則覆蓋了1. 404C3

20、53kW/kg的范圍，其中M42L2型號的非晶合金驅(qū)動電機額定功率120kW,峰值功率200kW,其功率密度高達(dá) 2. 35kW/kg。功率密度高意味著同樣電機可以節(jié)省材料， 降低電機的材料成本和電機的其他損耗。2缺點2. 1生產(chǎn)成本高傳統(tǒng)硅鋼片電機定轉(zhuǎn)子疊片通常采用沖床進行沖壓成型，隨著沖壓技術(shù)的逐漸成熟，傳統(tǒng)硅鋼片電機定轉(zhuǎn)子疊片的加工費用也越來越低。非晶合金材料雖然具有優(yōu)異的電磁特性，但是其薄、脆、硬的物理特性導(dǎo)致非晶合金材料沖壓加工困難，沖模磨損快，工 藝成本增加。同時，非晶合金材料對應(yīng)力非常敏感，因此優(yōu)異性能的非晶合金鐵心對其 加工工藝提出了非常嚴(yán)格的要求。在非晶合金電機的研發(fā)過程中必

21、須重視非晶合金鐵心的加工工藝，力爭在成本允許的情況下降低非晶合金電機鐵心損耗，充分發(fā)揮非晶合金電機的性能優(yōu)勢。2. 2振動噪聲大非晶合金帶材的磁滯伸縮系數(shù)是硅鋼片的幾倍，而且非晶合金材料對應(yīng)力敏感，為 了保證磁性能，壓緊力不宜過大，鐵心疊壓系數(shù)低，相對比較松散，因此，非晶合金電 機的振動噪聲較傳統(tǒng)硅鋼片電機要大。非晶合金在變壓器上的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，歐洲 電力部門曾對非晶合金變壓器和硅鋼片變壓器的噪聲比較進行了試驗。結(jié)果顯示，非晶 變壓器的聲級比同類規(guī)格的硅鋼片變壓器高68dB。非晶合金電機雖然沒有相關(guān)的數(shù)據(jù)公布，但是可以預(yù)見其噪聲要高于相同規(guī)格的硅鋼片電機。4非晶合金電機的重點應(yīng)用領(lǐng)域傳統(tǒng)電

22、機鐵心材料一般選用冷軋硅鋼片，非晶合金材料與硅鋼相比，具有更低的鐵 心損耗，應(yīng)用于電機鐵心可以使電機鐵耗顯著降低，從而提高效率。電機的鐵心損耗通 常與頻率的1. 31. 5次哥成正比，高頻電機的鐵心損耗占電機總損耗的比例很高， 如果高頻電機鐵心仍然使用硅鋼材料，將會由于鐵心損耗大幅度增加導(dǎo)致電機效率降低。目前非晶合金的 Bs值低于硅鋼，在工頻或更低頻率下，使用非晶合金替代硅鋼意 義不大。然而在幾百赫茲以上電機鐵耗明顯升高，使用非晶合金鐵心對于降低電機鐵耗 和鐵心的溫升變得意義重大。由此可見，非晶合金電機在高頻應(yīng)用領(lǐng)域有較明顯的性能 優(yōu)勢。當(dāng)前應(yīng)用的重點主要是對高功率密度有需求的高頻電機，包括移動電源用發(fā)電機、電動汽車用發(fā)電機和驅(qū)動電機、高速主軸電機、風(fēng)機、水泵、壓縮機驅(qū)動用高頻電機等。目前已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的非晶合金電機均為高頻軸向磁通電機，其主要應(yīng)用場合包括電動汽車驅(qū)動電機、燈塔發(fā)電機、車用增程式發(fā)電機和其他移動發(fā)電機等。 未來3年內(nèi)， 上述應(yīng)用市場仍然是非晶合金電機的重點應(yīng)用領(lǐng)域。今后，隨著非晶合金材料Bs值的增大，電機制造工藝、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的進一步完善，將逐步擴大非晶合金電機的應(yīng)用場合。5結(jié)論非晶合金電機總體起步較晚，因而國內(nèi)外在技術(shù)