高性能鐵基軟磁復(fù)合材料(SMC)在低碳經(jīng)濟中的應(yīng)用

1、-108 -軟磁材料及器件!高性能鐵基軟磁復(fù)合材料(SMC)在低碳經(jīng)濟中的應(yīng)用葉舟(ZHOUYE) Hoganas AB, SE-263 83 HdganSs Sweden 王吳赫格納斯(中國)有限公司中國上海市靑浦區(qū)外青松公路5646號 摘要：本文主耍介紹了高性能鐵基軟磁復(fù)合材料(SMC)技術(shù)，包括該技術(shù)的概念，特性與優(yōu)點.并具體介 紹了 Hoganas公司為不同的應(yīng)用而研發(fā)的Somaloy®產(chǎn)品.這些應(yīng)用有如電機，快速驅(qū)動或脈沖變壓 器以及電力電子文章還分析了低碳經(jīng)濟(環(huán)境保護和節(jié)能)為高性能鐵基軟磁復(fù)合材料提供的機遇. 挑戰(zhàn)和潛在的市場.低碳經(jīng)濟，處指在可持續(xù)發(fā)展理念指導(dǎo)下.通

2、過技術(shù)創(chuàng)新、制度創(chuàng)新.產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、新能源開發(fā)等多 種手段，盡可能覽減少煤炭石油等高碳能源消耗，減少溫室氣體排放，達到經(jīng)濟社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保 護雙層的一種經(jīng)濟發(fā)展形態(tài)簡單的說，其關(guān)鍵是節(jié)能減排和新能源，它將是未來世界發(fā)展的大勢所趨. 低碳經(jīng)濟涉及廣泛的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域和管理領(lǐng)域也與磁性材料的發(fā)展密切相關(guān).因為提高電機效率和節(jié)能照 明工程長節(jié)能的重要措施之一.而它們都需要磁性材料.風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電是最重要的綠色新能 源.它們也都需要高性能的磁性材料.所以說，低碳經(jīng)濟為高性能軟磁材料提供了機遇和很大的潛在 市場，但也對軟磁材料提出了更高的耍求本文將介紹了高性能鐵基軟磁復(fù)合材料(SMC)技術(shù)和Hogana

3、s 公司為不同的應(yīng)用而研發(fā)的Somalo療產(chǎn)品，以及這些產(chǎn)品在低碳經(jīng)濟中的應(yīng)用前景。1高性能鐵基軟磁復(fù)合材料復(fù)合軟磁材料(SMC)是經(jīng)壓制及熱處理，具有三維(3D)磁性性能的金屬粉末零件的國際 名稱。SMC材料由表面絕緣的髙純鐵粉顆粒組成(如圖1 ),這些顆粒經(jīng)過壓制，在一個工圖2復(fù)合軟磁材料的粉末冶金工藝Insulation序步驟內(nèi)即可形成具有復(fù)雜外形的各向同性的零件(如圖2 )o產(chǎn)品的性能取決于基礎(chǔ)粉末 與添加劑以及部件生產(chǎn)過程，這些包括鐵基粉的純度，鐵基粉的微觀結(jié)構(gòu)，鐵基粉的顆粒 分布，還包括絕緣鍍層和添加劑.部件生產(chǎn)過程包括壓制和及熱處理。圖1復(fù)合軟磴材料(SMC)2. Hoganas

4、 （赫格納斯）Somaloy®技術(shù)Somaloy®是HdganSs （赫格納斯）SMC部分的唯一商標.Somaloy®是一個完整的產(chǎn)品 系統(tǒng).技術(shù)包括：基粉，粉末的生產(chǎn)工藝，部件的壓制和熱處理以及應(yīng)月設(shè)計等.Somaloy® 和燒結(jié)軟磁相比，最大的優(yōu)點是很高的電阻率，它是純鐵的5 0 0到5 0 0 0 0 0倍（如 表1）.和傳統(tǒng)的鐵粉芯比，最大的優(yōu)點是高的磁導(dǎo)率和低鐵損，和硅鋼比，煨大的優(yōu)點三 維（3D）磁路和高頻下的低鐵損，換句話說頻率穩(wěn)定性好，使用頻率范圍廣.它還有粉末 冶金工藝提供的三維3D成形技術(shù)，部件精度高，平滑表面和達到9 5 9 8 %

5、以上的材 料利用率，如圖3所示.由于這些特點，它能通過新布局的3D磁通路線，較小的繞組線 圈體積和內(nèi)置裝配構(gòu)件使我們的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊和降低重量.它能提供具有快速瞬態(tài)響應(yīng), 快速、精確的驅(qū)動和大力矩的離性能產(chǎn)品.它還能通過降低銅和永磁體的成本，簡化組裝 和降低系統(tǒng)成本來降低產(chǎn)品的最終成本.Somaloy®可被用于結(jié)構(gòu)緊湊和高效率的電機， 脈沖變壓器如點火系統(tǒng)，快速驅(qū)動系統(tǒng)如燃油噴射器，電感元件在電力電子應(yīng)用還有傳感 器等。表1 Somaloy和燒結(jié)軟磁的電阻率比較材料電阻率MhnSintered iron0,1Sintered Fe+0,45%P02Sintered Ferritic S

6、tainless0,6Somaloy 500 IP70Somaloy 700 1P400Somaloy llOi10000圖3:3D磁通路線示意圖和內(nèi)宣線圈產(chǎn)品圖3.為不同應(yīng)用而研發(fā)的Somaloy®產(chǎn)品Hoganas （赫格納斯）公司是世界上最大的鐵粉和其他金屬粉末生產(chǎn)和供應(yīng)商.在過 去的10J5年中，一直致力于離性能鐵基軟磁復(fù)合材料研發(fā)和生產(chǎn)，并在提高材料性能方面 取得可喜的成績.因為材料性能提離，使許多過去不成功的項目得以實現(xiàn)。由不同的-110 -Somaloy預(yù)壓制混合物和部件生產(chǎn)工藝，Hoganas （赫格納斯）公司開發(fā)了一系列產(chǎn)品. 根據(jù)性能不同，可分為，IP, 3P和5

7、P系列產(chǎn)品.1P系列產(chǎn)品是基初產(chǎn)品.3P系列產(chǎn)品具 有高強度和髙磁導(dǎo)率的優(yōu)點.5P系列產(chǎn)品是最新研發(fā)的產(chǎn)品，它的特點是鐵損很低.圖4 簡單的比較了這三系列產(chǎn)品.根據(jù)應(yīng)用的不同可分為電機用的Somaloy產(chǎn)品，快速驅(qū)動& 脈沖變壓器用Somaloy®產(chǎn)品和電力電子用Somaloy®產(chǎn)品.下面將具體介紹這些產(chǎn)品。150Somaloy 700 3P30405060Cort lots400 Hz （W/kg圖 4 Somaloy IP, 3P 和 5P 產(chǎn)品3.1為電機應(yīng)用而開發(fā)的Somalo聲產(chǎn)品用于電機的硅鋼材料是整個粉末冶金燒結(jié)材料的幾倍，因此在電機上應(yīng)用金屬粉末對

8、粉末冶金（PM）產(chǎn)業(yè)是一個很有吸引力的領(lǐng)域。然而，這也是很有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域.長期以來, 電機設(shè)計和制造是基于硅鋼材料二維磁通區(qū)。用SMC材料直接取代硅鋼材料往往很難顯示 其性能或成本的優(yōu)勢。雖有些例外，如高頻電機，那里宜接置換材料可能有降低鐵損和 提高效率。然而，成功的關(guān)鍵是在利用材料的三維磁通性能。設(shè)計師運用新的拓撲形狀結(jié) 構(gòu)、線圈繞組和裝配方案以達到，如更好的性能，減少大小和重量，降低生產(chǎn)成本，減少 零部件優(yōu)點。3D設(shè)計可用于很多電機拓撲結(jié)構(gòu)。比如3D設(shè)計的通用電機能明顯減少銅線用量以降 低生產(chǎn)成本確1。盡管如此，SMC還是很難在通用電機上廣泛應(yīng)用，因為這些電機工作頻 率較低，它們月的是厚而

9、低成本的硅鋼，卻這些電機對磁性材料的要求是高的磁導(dǎo)率，而 SMC的磁導(dǎo)率明顯低于硅鋼。然而高效率永磁電機快速發(fā)展趨勢，為SMC材料提供了很好 的應(yīng)用前景。配以合理的控制器，永磁電機可以在很寬的頻率范圍工作。由于永磁很大的 磁阻，電機對軟磁材料磁導(dǎo)率的要求不高.例如，SMC成功的用于一個重新設(shè)計的無刷直 流電機（渦旋壓縮機用的）2,其結(jié)果是顯著減小電機的體積。在這個例子中，僅僅只有重 新設(shè)計定子，如進一步改進控制器和轉(zhuǎn)子，那么電機就更能顯示出用SMC的優(yōu)越性。圖5 是定子設(shè)計圖。另一個利用SMC的電機拓撲結(jié)構(gòu)是軸向磁通馬達，作為高性能牽引電機它已成功地被用在英國汽車工程項目中（圖6） 3 o表2

10、中，列出了一些電機特性。類似成功 的應(yīng)用例子可以列舉很多。表2 軸向磁通馬達的一些電機特性扭矩二130Nm轉(zhuǎn)速 =3600rpm功率=50kW頻率=300Hz堪量=11kg圖5定子設(shè)計圖圖6: Oxford University （劍橋大學(xué)）枚計的SMC軸向磁通馬達綜上所述，SMC在電機技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢在很大程度上取決于設(shè)計。然而提高SMC材料 性能自然直接增加SMC技術(shù)優(yōu)勢。和硅鋼相比，SMC的磁滯鐵損大，但渦流鐵損小。因此, 為了提高SMC在電機應(yīng)用中競爭力，減少磁滯鐵損是很重要的。十多年前的Somaloy 500 IP 引入到市場.它的磁滯鐵損比傳統(tǒng)的鐵粉芯低約30%.幾年前Somaloy

11、 700 IP投入市場， 它磁滯鐵損比Somaloy 500降低約10%。最新的研發(fā)的Somaloy 700 5 P材料的磁滯鐵損 比傳統(tǒng)的鐵粉芯低約60%,如圖7。圖 7:鐵損 / 周（Core loss /frequency） vs.頻率除了飲損，另一重要的材料特性是B-H曲線。幸運的足,B-H特性也有所改善，這意味 著使電機有更大扭矩和/或低銅損。圖8顯示SMC材料B-H曲線.另外一個很重要的特 性是機械強度，由于SMC材料強度較低而限制它的許多潛在應(yīng)用。Somaloy 700 3P在這方112 面取得了顯著的進步，并且其磁導(dǎo)率也有了進一步的提高。表3列出了為電機應(yīng)用而開發(fā) 的Somal

12、oy®產(chǎn)品的主要性能。表3為電機應(yīng)(53000Hz)用而開發(fā)的SomaloyCore loss IT(W/kgMaterialResistivity gmTRS MPalOkA/m |TMtnii100 Hz400 Hz1 kHzSomaloy 700 1P400401,565401044131Somaloy 700 3P2001251,617501046137Somaloy700 5P1000601,57600632104-Somaloy 700 IP:部件生產(chǎn)工藝簡單，適合5 0到幾百赫茲的電機- Somaloy 700 3P:高強度和高磁導(dǎo)-Somalcy700 5P 鐵損低

13、應(yīng)用實例1)更小更輕的ABS油泵電動機在汽車行業(yè)內(nèi)，電動機正朝著更小更輕的趨勢發(fā)展，包括：在低耗油量與給消費者提 供更多功能選項之間建立穩(wěn)定的平衡。日本的Aisin Seiki提出了極為緊湊小巧的設(shè)計方 案如圖9?；赟omaloy®的電動機能提供相同的可比性能，而長度比以前要短36%,重量 輕17%。Somaloy技術(shù)，以其以一貫之的自由理念進行3維設(shè)計，通過采用下列措施，生 產(chǎn)更為緊湊輕便的電動機：面向磁鐵的區(qū)域面積增加.從而提高了 8%的磁通量。 銅線纏繞效率更高.需求長度減少。通過消除銳邊，使銅繞組線圈更為緊湊。 控制銅繞組線圈電源的整流器已與整個設(shè)計方案融為一體。Compf

14、imenu M Aish Se航 hpm圖9. Scmalcg電動機（前）與辭鋼電機的比較圖10高速微型制冷機（hinbird的怕贈）2）微型組件裝置電動機具有單獨的預(yù)纏繞齒狀物，并具有內(nèi)置式安裝部件，以便裝配如圖10所示。 此設(shè)計運用了一些重要的Somalo金性能。3維磁通性能及精美的光潔度可確保繞組線圈 具有較高的封裝密度及良好的導(dǎo)熱性。32為快速巫動&脈沖變壓器而開發(fā)的Somaloy«產(chǎn)品SMC作為快速切換器的磁性部件，已經(jīng)被用于柴油發(fā)動機的燃料噴射器已經(jīng)很久。并且 該技術(shù)正在擴散到其他燃料，如汽油,/液化石油,氣天然氣等。Bosch的共軌柴油噴射系統(tǒng) （如圖11）就是

15、一個成功例子.該產(chǎn)品的激勵器采用了 Somaloy®復(fù)雜的成形技術(shù)。高密 度的Somaby竦芯，可產(chǎn)生較大的作用力及精確的高速閥動SMC技術(shù)非常適合用于快速 切換的致動器因為它的快速瞬態(tài)響應(yīng)。它的高磁飽和意味著可獲得高驅(qū)動力。與其他技術(shù) 相比，SMC由于其良好的性價比使其成為這類應(yīng)用的首選。SMC還具有在其他快速切換器應(yīng) 用領(lǐng)域獲得突破可能性的.在汽車發(fā)動機的點火系統(tǒng)中，SMC被用作脈沖變壓器鐵芯。這 種技術(shù)能提高燃料的利用率和降低廢氣的排放。圖11 Bosch共軌柴油噴射系統(tǒng)圖12 SMC被用于點火系統(tǒng)這些應(yīng)用需要結(jié)合軟磁材料貝有高的磁飽和，較高的磁導(dǎo)率和合理的電阻率等優(yōu) 良性能和

16、粉末冶金的成形技術(shù).圖13比較了在這些應(yīng)用中最常用的Somaloy 500 IP,最 新開發(fā)的Somaloy 1000 3P和傳統(tǒng)鐵粉芯的B-H曲線.由圖可見，Somaloy在磁感應(yīng)強 度，磁導(dǎo)率等優(yōu)勢是顯而易見.這些材料的主要性能列于表4.圖13:可用于快速驅(qū)動&脈沖變樂器的Somalo廬產(chǎn)品和BH曲線-117-表5:可用于快速驅(qū)動&脈沖變壓器的Somalo聲產(chǎn)品的主要特性MaterialResistivity biAmTRS MP.B4kA/m mB10kA/m mSomaloy 500 IP70501,261,51500Somaloy 700 IP400401,311,5

17、6540Somaloy 700 3P2001251,371,61750Somaloy 1000 3P701401,421,6385033可用于電子產(chǎn)品的Somaloy產(chǎn)品金屬軟磁粉芯由于其獨特的性能，和鐵氧體軟磁一起，作為電感，一直被廣泛的用于 電子產(chǎn)品.當(dāng)今社會，高精度、高靈敏度和大容量、小型化是對各種電子產(chǎn)品提出的總要 求和發(fā)展方向，這也是對廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中的軟磁材料提出的要求和發(fā)展方向。 金屬軟磁粉芯，尤其是純鐵基軟磁，由于其很高的飽和磁通密度確和良好穩(wěn)定性，在小 型化方面可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢.但是，其較大的鐵損又往往成為限制其應(yīng)用的因素.純鐵 基軟磁的鐵損主要來自磁滯鐵損，很主要

18、的一個原因是鐵粉芯壓制時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力.消除 內(nèi)應(yīng)力而降低磁滯鐵損的最有效的辦法是熱處理.然而傳統(tǒng)鐵粉芯的絕緣鍍層很難承受高 于300°C以上的熱處理.Hoganas （赫格納斯）的Somaloy®技術(shù)，由于其獨特的無機絕緣 鍍層，使Somaloy® IP產(chǎn)品的熱處理溫度超過500° C,最新的研發(fā)的Somaloy 700 5 P 材料其熱處理溫度可高達650° C.這樣這些產(chǎn)品就具有較低的鐵損.另外，由于無機絕緣 鍍層很薄仃0-100納米），基粉又具有很好的壓縮性，由SomaloyJ成的軟磁粉芯密度可 達到7.5克/立方理米.這樣，這種軟磁粉芯

19、的飽和磁通密度比傳統(tǒng)軟磁粉芯更高.硅鋼 雖然有高的飽和磁通密度和低的磁滯鐵損，但電子產(chǎn)品的高頻，就必須降低硅鋼片的厚度. 這就使其成本大幅上漲.同時其過高的磁導(dǎo)率也限制了它在電子產(chǎn)品上的應(yīng)用.圖14,比 較的可用于電子產(chǎn)品的軟磁材料的一些性能.表6列出了可用于電子產(chǎn)品的三種 Somaloy®產(chǎn)品的主要性能參數(shù)。Somaloy*5150 1 mm laminate grairv orientedESNUJQxnhNOLLsnlas0.1 mm lamvwte 8.5H St CVD-processedFe-based amorphusSendust MPP0.35 mm laminat

20、e 3% Si* Traditional iron powder coreCORE LOSS圖14 Somaloy和其它軟磁材料的比較表6可用于電子產(chǎn)品的三種Somaloy®產(chǎn)品的主要性能參數(shù) -Core loss W/kgMaterialResistivity IgOmB10kA/m TlT/lOOHz0,lT/ 10kHzOJTOOkHzSomaloy 110i IP76001,33152685Somaloy !30i IP80001,431227110Somaloy 5P>100001.4881865一 Somaloy 110i IP:適用于 5-100kHz.一 Som

21、aloy 130i IP:適用于 l-20kHz- Somaloy 5P:適用于 1-lOOkHz4 .高性能鐵基軟磁復(fù)合材料在低碳經(jīng)濟（環(huán)境保護和節(jié)能）潛在市場低碳經(jīng)濟的關(guān)鍵是節(jié)能減排和新能源.下面將分析一下高性能鐵基軟磁材料在節(jié)能減 排和新能源能起的作用和潛在市場.現(xiàn)代經(jīng)濟的主要能源消耗之一是用于電機，例如電機用掉了美國國內(nèi)生產(chǎn)用電量的 63%70%,占美國總電能消耗量的23%o而許多電機的效率甚至還不到百分之五十，所以 提高電機的效遂顯然是一個行之有效的節(jié)能措施.另一方面電機的軟磁材料的用量超過八 百萬噸.提高電機的效率的一個例子是通過使用永磁直流（PMDC）電機代替固定分相電容 式（P

22、SC）交流電機。高性能鐵基軟磁復(fù)合材料則特別適合于永磁直流（PMDC）電機.圖15 是Hoganas設(shè)計的永磁直流（PMDC）電機.獨特的SOMALOY,獨特的設(shè)計理念和簡單的生產(chǎn) 成本和工藝的有機結(jié)合使該電機具有重量輕小，更離的效率088）,高性能（扭矩大）節(jié)省 昂貴材料（永磁，銅材）等優(yōu)點.圖15 Hoganas設(shè)計的永礎(chǔ)丘流（PMDC）電機圖16 EV&HEV的貢流變壓器另一種提高電機效率的辦法是使用變頻器.使用變頻器將115或230V的單相輸入電 壓轉(zhuǎn)換為頻率從0120Hz可調(diào)的230V三相輸出，作為三相電機的電源。據(jù)美國能源部估 計，使用VFD來控制速率，所節(jié)省的能源將高達電

23、機總耗電量的1號。在電扇、鼓風(fēng)機以及抽吸應(yīng)用中，VFD可以節(jié)省大量的能源。根據(jù)ARC Advisory Group的數(shù)據(jù)，在2007年， 小功率VFD的全球市場總值超過70億美元，而且預(yù)計到2012年將增長到近110億類元. 雖然經(jīng)濟比較疲軟，但小功率交流驅(qū)動器的市場需求仍然很強勁，這是因為工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施 姍姍來遲的現(xiàn)代化終于開始起步了。變頻器需要有高性能軟磁材料制造的電感器，其工作頻 率在上千到數(shù)十千Hz.十年內(nèi)這種應(yīng)用需要將超過每年二十萬噸。汽車是二氧化碳排放的一個主要來源電動汽車或電油混合動力汽車是降低汽車二氧 化碳排放的有效途徑.電動汽車或電油混合動力汽車都需要直流變壓器（直流直流轉(zhuǎn)換器

24、）, 這種直流變壓器需要高性能的電感器.每輛汽車的這種電感器需要一公斤以上的高性能軟 磁材料.其工作頻率在10-50kHz,磁性材料必需具備高的磁感應(yīng)強度和低的鐵損的特點. 估計這種應(yīng)用到2020年需要高性能軟磁材料達十萬噸以上.2040-2050年全球可再生能源將成為最主要的能源之一。其中風(fēng)能作為一種天然能源， 以其蘊藏量豐富，永不枯竭，清潔無污染，可開發(fā)利用而受到青睞。最近五年世界風(fēng)力渦 輪發(fā)電機市場平均每年以30%多的速度增長，風(fēng)能在發(fā)電中已經(jīng)開始占據(jù)越來越重要的作 用.而太陽能以其儲量的“無限性”、存在的普遍性、開發(fā)利用的清潔性等優(yōu)勢，是理想 的替代能源.風(fēng)能或太陽能，這些分布式發(fā)電集

25、成到電網(wǎng)中，需要高質(zhì)量的電力電子產(chǎn)品來 保證電源的質(zhì)量，如圖17所示.而這些電力電子產(chǎn)品都需要電感器.太陽能發(fā)電的電源 濾波系統(tǒng)確到2020年需要十到三十萬噸高性能軟磁材料，其工作頻率在10-50千Hz軟 磁材料在這樣的頻率范圍內(nèi)必須具有低能耗低噪聲的優(yōu)點.2009年風(fēng)力發(fā)電電源濾波系統(tǒng) 的軟磁材料用量達6000噸.估計到2015的用盤將達15000噸.這種應(yīng)用的工作頻率在2-10 千Hz,最大的挑戰(zhàn)是提高性價比。如圖17風(fēng)力發(fā)電電源濾波系統(tǒng)最后還必須指出，無論是粉末的生產(chǎn)，還是鐵粉芯的生產(chǎn)，其能耗都是很低的.粉 末冶金工藝還具95%以上的材料利用率，以及產(chǎn)品回收時的銅鐵很容易分離等特點都符合

26、 低碳經(jīng)濟的要求.5.結(jié)論根據(jù)以上敘述可得出以下結(jié)論：復(fù)合軟磁材料(SMC)是經(jīng)壓制及熱處理，具有三維(3D)磁性性能的金屬粉 末零件的國際名稱。它頻率穩(wěn)定性好，使用頻率范圍廣.它還有粉末冶 金工藝提供的三維3D成形技術(shù)，部件精度高，平滑表面和達到9 5 9 8 %以上的材料利用率等優(yōu)點 Somaloy®是Hoganas商標(SMC材料)。Somaloy®是一個完整的產(chǎn)品系統(tǒng) 可確保為不同的電磁應(yīng)用提供優(yōu)質(zhì)量的材料。較傳統(tǒng)鐵粉芯具有高的磁 導(dǎo)率和低鐵損等特點.低碳經(jīng)濟需要高性能的軟磁材料，也為此提供了巨大商機.其應(yīng)用頻率 范圍在幾百到幾十萬Hz.其金屬基軟磁材料的潛在市場達幾十萬噸到上 百萬噸.參考資料1 Jack. A, B. Mecrow, P. Dickinson, "Design and Testing of a Universal Motor Using a Soft Magnetic Composite Statof', 1EEA-IAS, 2000, Rome, Italy2 M Persson, G Nord and L-0 Pennander, G Atkinson and A.G Jack "Development of Somaloy