非晶合金在電機(jī)中的應(yīng)用

1引言11非晶合金促進(jìn)電機(jī)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(jì)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(hù)為重點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jī)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(jì)，我國電機(jī)耗電約占工業(yè)用電總量的70左右。因此，推行電機(jī)節(jié)能具有重要的經(jīng)濟(jì)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(高磁導(dǎo)率、低損耗)。將非晶合金材料應(yīng)用于電機(jī)鐵心來替代常規(guī)硅鋼片材料，能夠顯著降低電機(jī)的鐵耗、提高電機(jī)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(jī)應(yīng)用場合(如電動車驅(qū)動電機(jī)、高速電主軸、航空發(fā)電機(jī)、艦船發(fā)電機(jī)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(jī)的市場地位受到挑戰(zhàn)。圖1為電機(jī)發(fā)展歷程中的幾個重大節(jié)點(diǎn)。12非晶合金帶材的主要特點(diǎn)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(diǎn)是鐵耗極低，僅為冷軋硅鋼片的15110，甚至115，將非晶合金材料應(yīng)用于電機(jī)鐵心來替代常規(guī)硅鋼片材料，能夠顯著降低電機(jī)的鐵耗。但是其應(yīng)用于電機(jī)時有兩個弱點(diǎn)： 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156T，工作磁密小于13T。如果電機(jī)定子鐵心的工作磁密設(shè)計(jì)值高于13T，需增加定子鐵心的尺寸。2非晶合金電機(jī)的研發(fā)動態(tài)21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(jī)的運(yùn)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(jī)的制造工藝、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)也在不斷深入，電機(jī)的性能也在不斷提高。美國通用電氣公司(GE)早在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Metglass2605SC)異步電機(jī)樣機(jī)，這是首次在文獻(xiàn)資料公開發(fā)表的非晶合金電機(jī)。美國萊特公司(LE)是目前世界上非晶合金電機(jī)做得最成功的企業(yè)之一，也是最早實(shí)現(xiàn)非晶電機(jī)產(chǎn)業(yè)化的公司，其產(chǎn)品均為軸向磁通非晶永磁電機(jī)。LE公司自1996年開始研究非晶合金在電機(jī)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(jī)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(jī)定子鐵心加工的工藝體系心。從2004年到2006年，該公司開始進(jìn)行非晶合金電機(jī)整機(jī)工藝和技術(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(jī)推向市場，進(jìn)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(jī)產(chǎn)品雙定子、單轉(zhuǎn)子軸向磁通永磁電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。LE公司以定子加工技術(shù)為核心，通過提高非晶電機(jī)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(jī)具有高效率、高轉(zhuǎn)矩和高功率密度等優(yōu)勢，在燈塔等移動發(fā)電機(jī)、電動車驅(qū)動電機(jī)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 Signal公司，成立了非晶體業(yè)務(wù)部門非晶體金屬公司(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(jī)。日立公司在2010年采用鐵心卷繞模塊拼接技術(shù)設(shè)計(jì)了一臺200W、2000rmin的非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)，該電機(jī)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(jìn)行了改進(jìn)以提高電機(jī)空間的利用率并減小了非晶合金定子的渦流損耗，改進(jìn)后的技術(shù)成功應(yīng)用于一臺150W、2000rmin的樣機(jī)，該電機(jī)效率達(dá)到了90，相比于上述2010年的非晶合金樣機(jī)效率提高了5個百分點(diǎn)M1。2011年日立公司又開發(fā)了一種定子鐵心不開槽的400W、15000rmin的小型高速軸向磁通永磁電機(jī)，定子鐵心直接由非晶帶材卷繞而成但不進(jìn)行開槽”1，13立公司于2012年采用該技術(shù)設(shè)計(jì)了一臺功率等級相對較大的11kW非晶合金軸向磁通電機(jī)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(jī)開發(fā)經(jīng)歷了徑向磁通電機(jī)、卷繞鐵心軸向磁通電機(jī)、切割成型鐵心軸向磁通電機(jī)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(jī)主要面向家電和小型工業(yè)驅(qū)動領(lǐng)域。除了各公司企業(yè)對非晶合金電機(jī)的研發(fā)攻關(guān)外，各高?？蒲性核舱归_了非晶合金電機(jī)的攻關(guān)任務(wù)。1992年，美國威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校的TALipo教授采用卷繞非晶合金鐵心設(shè)計(jì)制造了一臺無刷直流電機(jī)1。電機(jī)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1800rmin的非晶合金軸向磁通電機(jī)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，效率大于90，而相同規(guī)格異步電機(jī)的效率當(dāng)時只有7580。除了上述幾家具有代表性的單位外，在非晶合金電機(jī)領(lǐng)域還有很多機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)。在非晶合金徑向磁通電機(jī)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(jī)制造；在非晶合金軸向磁通電機(jī)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)、深圳華任興科技有限公司(華任興)、實(shí)能高科動力有限公司(實(shí)能高科)、精進(jìn)電動科技有限公司(精進(jìn)電動)等都對非晶合金軸向磁通電機(jī)進(jìn)行了研究與生產(chǎn)。22初步解決定子鐵心難于加工和增加損耗的難題221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(jī)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銑削成定子鐵心，銑削過程如圖3所示。2005年日立公司將傳統(tǒng)的徑向磁通電機(jī)定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，使定子齒和軛分離，定子齒通過鴿尾鍵槽配合鑲嵌在定子軛上。通過將定子齒換成非晶合金材料、定子軛仍采用硅鋼片材料，形成了日立公司第一代非晶合金電機(jī)，如圖4所示。2010年日立公司設(shè)計(jì)了一臺200W、2000rmin的軸向磁通非晶合金永磁電機(jī)，電機(jī)的疊壓系數(shù)約為09，該電機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)。日立公司于2011年提出了一種新的軸向磁通電機(jī)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(jī)，其實(shí)物圖如圖7所示1。電機(jī)的定子鐵心直接由非晶帶材卷繞成環(huán)形而不進(jìn)行開槽，為了方便嵌線，將定子鐵心圓環(huán)分成兩部分，分別套人線圈，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(jī)的另外一種探索和嘗試。222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(jī)定子鐵心的方法，如圖8所示。第一種方法是首先以卷繞成環(huán)形非晶鐵心作為電機(jī)的軛部，然后在環(huán)形鐵心內(nèi)部粘結(jié)齒模塊，該方法制作的非晶鐵心磁路中包含多個氣隙，磁阻增大，同時也存在軛部渦流損耗增大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差等問題。第二種方法是將鐵心齒部和相應(yīng)齒聯(lián)軛疊成預(yù)定形狀，用環(huán)氧樹脂或金屬帶進(jìn)行固定，形成單個鐵心模塊，再進(jìn)行拼接。該制作方法和第一種方法類似，也存在附加氣隙、軛部鐵心渦流損耗較大和穩(wěn)定性差等問題；第三種方法是使用不同長度的非晶帶材進(jìn)行沖壓，制成弓形的拼接模塊，樹脂鑄型后拼接成非晶定子鐵心，該方法制備的非晶鐵心結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，但是軛部磁路會出現(xiàn)橫穿非晶帶材的情況，局部磁阻過高，影響非晶定子鐵心性能。安泰科技在非晶合金鐵心加工工藝方面開展了大量的研究工作，目前已經(jīng)制備了幾臺徑向磁通非晶合金電機(jī)的定子鐵心，針對非晶合金加工制造方面存在的問題，不斷改進(jìn)加工制造工藝。2008年，安泰科技的盧志超、李山紅和李德仁等人在專利中介紹了一種用于高速電機(jī)的非晶合金定子鐵心的制備方法。但上述工藝流程中，浸漆、固化等加工工序?qū)⒃诜蔷Ш辖痂F心中引入應(yīng)力，導(dǎo)致鐵心磁化性能和損耗性能顯著降低。安泰科技也在嘗試一些新的工藝，包括不進(jìn)行浸漆和固化、而是用機(jī)械固定取代浸漆工藝，以解決層間粘接導(dǎo)致層間易斷裂、粘接應(yīng)力無法消除導(dǎo)致鐵心性能下降等問題。安泰科技所開發(fā)的兩種辦H-r_i藝的基本流程對比情況如圖9所示。23進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(jī)還是軸磁通電機(jī)，極數(shù)增多每極磁通減小，電機(jī)的定子軛尺寸可以相應(yīng)減少，同樣功率的電機(jī)可以減小體積，提高電機(jī)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(jī)感應(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(diǎn)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(qiáng)，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(jī)利用分?jǐn)?shù)槽優(yōu)點(diǎn)，采用多極少槽結(jié)構(gòu)(例如2極3槽，每極每相槽數(shù)為05)，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(diǎn)，更要求變頻器提供正弦波電流以及采用H級絕緣等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮非晶合金的優(yōu)勢。3非晶合金電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)基于以上對國內(nèi)外文獻(xiàn)的綜述，總結(jié)非晶電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)各有兩條，其優(yōu)點(diǎn)是效率高、功率密度高，缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本高、振動噪聲大。31優(yōu)點(diǎn)311效率高非晶合金電機(jī)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(jī)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130UQcm，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0025mm，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(jī)，由于頻率的升高，鐵心損耗占電機(jī)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、2500rmin和24kW、3500rmin非晶合金永磁發(fā)電機(jī)效率比相近功率和轉(zhuǎn)速的常規(guī)硅鋼片發(fā)電機(jī)產(chǎn)品高出15個百分點(diǎn)。2011年，中國鋼研科技集團(tuán)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8000rmin的無刷直流電機(jī)中進(jìn)行仿真與測試，測試結(jié)果表明，當(dāng)電機(jī)定子為非晶合金時，電機(jī)效率可達(dá)8858，硅鋼片鐵心電機(jī)的效率為855，非晶合金電機(jī)的效率提高了308個百分點(diǎn)?？梢姺蔷Ш辖鹪陔姍C(jī)上的應(yīng)用明顯降低了電機(jī)鐵耗，通過優(yōu)化非晶合金電機(jī)的設(shè)計(jì)就可以實(shí)現(xiàn)高效率。312功率密度高現(xiàn)代電機(jī)發(fā)展的顯著特點(diǎn)是高效、節(jié)能、重量輕、體積小，在工業(yè)設(shè)備有限的空間里留給電機(jī)的安裝空間十分有限，這就對電機(jī)的功率密度提出了很高的要求。非晶合金電機(jī)的優(yōu)異磁特性與電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)合使得非晶合金電機(jī)的功率密度相對傳統(tǒng)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的功率密度涵蓋了03751765kWkg的范圍，其中G42L2型號的非晶合金高效發(fā)電機(jī)的額定功率為100kW，峰值功率高達(dá)150kW，功率密度最高為1765kWkg；LE的非晶高效節(jié)能驅(qū)動電機(jī)的功率密度則覆蓋了14042353kWkg的范圍，其中M42L2型號的非晶合金驅(qū)動電機(jī)額定功率120kW，峰值功率200kW，其功率密度高達(dá)235kWkg。功率密度高意味著同樣電機(jī)可以節(jié)省材料，降低電機(jī)的材料成本和電機(jī)的其他損耗。32缺點(diǎn)321生產(chǎn)成本高傳統(tǒng)硅鋼片電機(jī)定轉(zhuǎn)子疊片通常采用沖床進(jìn)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(jī)定轉(zhuǎn)子疊片的加工費(fèi)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(jī)的研發(fā)過程中必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(jī)鐵心損耗，充分發(fā)揮非晶合金電機(jī)的性能優(yōu)勢。322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(jī)的振動噪聲較傳統(tǒng)硅鋼片電機(jī)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(jìn)行了試驗(yàn)。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(jī)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(jī)。4非晶合金電機(jī)的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域傳統(tǒng)電機(jī)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(jī)鐵心可以使電機(jī)鐵耗顯著降低，從而提高效率。電機(jī)的鐵心損耗通常與頻率的1315次冪成正比，高頻電機(jī)的鐵心損耗占電機(jī)總損耗的比例很高，如果高頻電機(jī)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(jī)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(jī)鐵耗明顯升高，使用非晶合金鐵心對于降低電機(jī)鐵耗和鐵心的溫升變得意義重大。由此可見，非晶合金電機(jī)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(diǎn)主要是對高功率密度有需求的高頻電機(jī)，包括移動電源用發(fā)電機(jī)、電動汽車用發(fā)電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)、高速主軸電機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)驅(qū)動用高頻電機(jī)等。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的非晶合金電機(jī)均為高頻軸向磁通電機(jī)，其主要應(yīng)用場合包括電動汽車驅(qū)動電機(jī)、燈塔發(fā)電機(jī)、車用增程式發(fā)電機(jī)和其他移動發(fā)電機(jī)等。未來3年內(nèi)，上述應(yīng)用市場仍然是非晶合金電機(jī)的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域。今后，隨著非晶合金材料Bs值的增大，電機(jī)制造工藝、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)一步完善，將逐步擴(kuò)大非晶合金電機(jī)的應(yīng)用場合。5結(jié)論非晶合金電機(jī)總體起步較晚，因而國內(nèi)外在技術(shù)上總體差別不大，我國非晶合金電機(jī)產(chǎn)業(yè)走出一逐步擴(kuò)大非晶合金電機(jī)的應(yīng)用場合。條完全自主研發(fā)之路是具備條件