非晶合金在电机中的应用

1引言11非晶合金促进电机产业发生重大变革节能环保、发展绿色低碳经济已受到人们的广泛重视，国家“十二五”规划明确提出了以环境保护为重点的经济发展要求，2012年下半年出台的节能减排“十二五”规划进一步提出了推动节能减排技术创新和推广应用的要求。电机是应用量大、使用范围广的高耗能动力设备，据统计，我国电机耗电约占工业用电总量的70左右。因此，推行电机节能具有重要的经济效益和社会效益。非晶合金作为一种新型软磁材料，具有优异的电磁性能(高磁导率、低损耗)。将非晶合金材料应用于电机铁心来替代常规硅钢片材料，能够显著降低电机的铁耗、提高电机效率，节能效果显著，尤其对于铁耗占主要部分的高频电机应用场合(如电动车驱动电机、高速电主轴、航空发电机、舰船发电机和其他军事领域等)，节能效果更好，具有广阔的应用前景。从长远看，非晶合金材料的逐步推广应用，必将会使现有硅钢片电机的市场地位受到挑战。图1为电机发展历程中的几个重大节点。12非晶合金带材的主要特点非晶材料作为一种新型软磁功能材料，具有典型的“双绿色”节能特征。表1给出了非晶合金带材和冷轧硅钢片的性能对比。从对比数据中可以看出非晶合金带材突出的优点是铁耗极低，仅为冷轧硅钢片的15110，甚至115，将非晶合金材料应用于电机铁心来替代常规硅钢片材料，能够显著降低电机的铁耗。但是其应用于电机时有两个弱点： 物理性能薄、脆、硬，且磁性能对应力非常敏感，需要开发新的拓扑结构和制造工艺；饱和磁密低，目前仅156T，工作磁密小于13T。如果电机定子铁心的工作磁密设计值高于13T，需增加定子铁心的尺寸。2非晶合金电机的研发动态21研发过程随着变频器的发展和大量应用，非晶合金电机的运行频率从早期的50Hz、60Hz发展到如今的几百甚至上千赫兹。非晶合金材料在不断发展，非晶合金电机的制造工艺、拓扑结构和优化设计技术也在不断深入，电机的性能也在不断提高。美国通用电气公司(GE)早在1978年便申请了制造非晶合金定子铁心的专利，非晶带材一边开槽一边卷绕成圆柱形铁心。GE的研究人员于1982年开发了一台额定功率250W的非晶合金(牌号Metglass2605SC)异步电机样机，这是首次在文献资料公开发表的非晶合金电机。美国莱特公司(LE)是目前世界上非晶合金电机做得最成功的企业之一，也是最早实现非晶电机产业化的公司，其产品均为轴向磁通非晶永磁电机。LE公司自1996年开始研究非晶合金在电机中的应用，从1998年到2001年，该公司处于技术积累阶段。从2001年到2004年，该公司开始开发原型样机和铁心模型，并于2003年形成了一套适用于非晶合金轴向磁通电机定子铁心加工的工艺体系心。从2004年到2006年，该公司开始进行非晶合金电机整机工艺和技术开发，并着手寻找适宜的应用场合。从2007年到2009年，LE公司开始将非晶合金轴向磁通永磁电机推向市场，进行初步的产品化。图2为LE公司开发的典型非晶合金电机产品双定子、单转子轴向磁通永磁电机的拓扑结构。LE公司以定子加工技术为核心，通过提高非晶电机极数和频率以及优化每极每相槽数和控制等手段，使其生产的非晶电机具有高效率、高转矩和高功率密度等优势，在灯塔等移动发电机、电动车驱动电机等领域得到了一定规模的应用。1999年美国Honeywell公司兼并了Allied Signal公司，成立了非晶体业务部门非晶体金属公司(Metglas)，2003年日本13立公司收购了Metglas，成为世界上最大的非晶合金材料制造商，同时研发出一批非晶合金电机。日立公司在2010年采用铁心卷绕模块拼接技术设计了一台200W、2000rmin的非晶合金轴向磁通永磁电机，该电机的应用场合定位为小型家用电器或工业驱动行业。2011年日立公司对铁心拼接技术进行了改进以提高电机空间的利用率并减小了非晶合金定子的涡流损耗，改进后的技术成功应用于一台150W、2000rmin的样机，该电机效率达到了90，相比于上述2010年的非晶合金样机效率提高了5个百分点M1。2011年日立公司又开发了一种定子铁心不开槽的400W、15000rmin的小型高速轴向磁通永磁电机，定子铁心直接由非晶带材卷绕而成但不进行开槽”1，13立公司于2012年采用该技术设计了一台功率等级相对较大的11kW非晶合金轴向磁通电机旧1。综上所述，从2005年开始一直到2012年，日立公司的非晶合金电机开发经历了径向磁通电机、卷绕铁心轴向磁通电机、切割成型铁心轴向磁通电机三个不同的阶段，形成了三种不同的定子铁心结构，样机主要面向家电和小型工业驱动领域。除了各公司企业对非晶合金电机的研发攻关外，各高校科研院所也展开了非晶合金电机的攻关任务。1992年，美国威斯康辛大学麦迪逊分校的TALipo教授采用卷绕非晶合金铁心设计制造了一台无刷直流电机1。电机采用双转子单定子的轴向磁通拓扑结构，定子铁心用非晶带材卷绕而成，不需要后续加工，因此降低了加工成本。该功率375W、转速1800rmin的非晶合金轴向磁通电机经过优化设计，效率大于90，而相同规格异步电机的效率当时只有7580。除了上述几家具有代表性的单位外，在非晶合金电机领域还有很多机构都进行了技术攻关。在非晶合金径向磁通电机领域，日本东京理科大学、东京工业大学、波兰罗兹工业大学、波兰有色金属研究所以及国内的安泰科技有限公司等都有样机制造；在非晶合金轴向磁通电机领域，澳大利亚阿德莱德大学、悉尼科技大学以及我国湘电莱特电气有限公司(湘电莱特)、深圳华任兴科技有限公司(华任兴)、实能高科动力有限公司(实能高科)、精进电动科技有限公司(精进电动)等都对非晶合金轴向磁通电机进行了研究与生产。22初步解决定子铁心难于加工和增加损耗的难题221轴向结构LE公司于2003年形成了一套适用于轴向磁通非晶合金电机定子铁心加工的工艺体系。该工艺首先将非晶带材卷绕成固定尺寸的三维环形铁心，经退火、浸漆及固化处理后再铣削成定子铁心，铣削过程如图3所示。2005年日立公司将传统的径向磁通电机定子结构进行了改造，使定子齿和轭分离，定子齿通过鸽尾键槽配合镶嵌在定子轭上。通过将定子齿换成非晶合金材料、定子轭仍采用硅钢片材料，形成了日立公司第一代非晶合金电机，如图4所示。2010年日立公司设计了一台200W、2000rmin的轴向磁通非晶合金永磁电机，电机的叠压系数约为09，该电机的定子铁心由若干个铁心模块拼接而成，每个铁心模块采用非晶带材卷绕的方式制成，并且在树脂中进行真空压力浸漆，以使得非晶层间良好绝缘；然后在铁心模块外围套入预先绕制好的线圈；最后将沿圆周方向排布好的铁心模块通过环氧树脂固定成一个整体。为了进一步减小铁心模块中的涡流损耗，在铁心模块的一个侧面切出一道狭缝，以切断涡流路径。该电机的具体结构如图5所示。该结构可以看作是日立公司第二代非晶合金电机。日立公司于2011年提出了一种新的轴向磁通电机定子铁心模块结构H1。该铁心加工工艺简述如下：先将非晶合金带材卷绕成环形铁心；再切割形所要求数量和尺寸的定子铁心模块；最后将绕制好的线圈套于铁心模块上。具体流程如图6所示。与卷绕铁心相比切割成型铁心的涡流路径被切断，因而涡流损耗大大减小。作为一种尝试，日立公司于2011年开发了一种无齿槽结构的电机，其实物图如图7所示1。电机的定子铁心直接由非晶带材卷绕成环形而不进行开槽，为了方便嵌线，将定子铁心圆环分成两部分，分别套人线圈，再用树脂将两部分粘在一起。这种铁心结构工艺简单、生产效率高，但是气隙增大导致转矩密度较低。该结构可以看作是日立公司第三代非晶合金电机的另外一种探索和尝试。222径向结构Metglas公司在其2000年申请的专利(专利号：US696086081)中，提出三种制作径向磁通非晶电机定子铁心的方法，如图8所示。第一种方法是首先以卷绕成环形非晶铁心作为电机的轭部，然后在环形铁心内部粘结齿模块，该方法制作的非晶铁心磁路中包含多个气隙，磁阻增大，同时也存在轭部涡流损耗增大、结构稳定性较差等问题。第二种方法是将铁心齿部和相应齿联轭叠成预定形状，用环氧树脂或金属带进行固定，形成单个铁心模块，再进行拼接。该制作方法和第一种方法类似，也存在附加气隙、轭部铁心涡流损耗较大和稳定性差等问题；第三种方法是使用不同长度的非晶带材进行冲压，制成弓形的拼接模块，树脂铸型后拼接成非晶定子铁心，该方法制备的非晶铁心结构稳定性好，但是轭部磁路会出现横穿非晶带材的情况，局部磁阻过高，影响非晶定子铁心性能。安泰科技在非晶合金铁心加工工艺方面开展了大量的研究工作，目前已经制备了几台径向磁通非晶合金电机的定子铁心，针对非晶合金加工制造方面存在的问题，不断改进加工制造工艺。2008年，安泰科技的卢志超、李山红和李德仁等人在专利中介绍了一种用于高速电机的非晶合金定子铁心的制备方法。但上述工艺流程中，浸漆、固化等加工工序将在非晶合金铁心中引入应力，导致铁心磁化性能和损耗性能显著降低。安泰科技也在尝试一些新的工艺，包括不进行浸漆和固化、而是用机械固定取代浸漆工艺，以解决层间粘接导致层间易断裂、粘接应力无法消除导致铁心性能下降等问题。安泰科技所开发的两种办H-r_i艺的基本流程对比情况如图9所示。23进行优化设计。充分发挥非晶合金在提高功率密度方面的优势(1)极数多可以提高转矩密度，但单位体积的铁耗加大论是径向磁通电机还是轴磁通电机，极数增多每极磁通减小，电机的定子轭尺寸可以相应减少，同样功率的电机可以减小体积，提高电机的转矩密度；但是同时，相同转速下，极数增加使得频率增大，单位体积的铁耗随之增大。而且受变频器最高频率的限制，要求变频器电压和电机感应电动势都近似正弦波。这些都需要综合考虑，使总损耗最低。(2)采用分数槽集中绕组分数槽集中绕组的主要特点有：节距Y=1，单齿绕，槽数少，减少制造难度； 绕组端部短，铜耗低； 线圈间不重叠，容错能力强，而且电抗大，短路电流小； 谐波含量大，引起杂散损耗大，温升高； 谐波引起振动噪声大。非晶电机利用分数槽优点，采用多极少槽结构(例如2极3槽，每极每相槽数为05)，并且应该从冷却系统和定子结构上采取措施克服分数槽的缺点，更要求变频器提供正弦波电流以及采用H级绝缘等进行优化设计，充分发挥非晶合金的优势。3非晶合金电机的优缺点基于以上对国内外文献的综述，总结非晶电机优缺点各有两条，其优点是效率高、功率密度高，缺点是生产成本高、振动噪声大。31优点311效率高非晶合金电机的高效率得益于非晶合金材料的低损耗特性。与传统电机所采用的硅钢片材料相比，非晶合金材料具有较大的电阻率，其电阻率一般为130UQcm，为传统硅钢片电阻率的3倍。在高频磁场中，大电阻率有效抑制了非晶合金带材的涡流损耗，此外，涡流损耗与冲片厚度的平方成正比，非晶合金带材的单片厚度仅有0025mm，所以非晶合金带材的涡流损耗显著低于冷轧硅钢片。尤其是对于高频电机，由于频率的升高，铁心损耗占电机总损耗的比例很高，使用非晶合金铁心效率提高更加明显。例如，LE公司开发的7kW、2500rmin和24kW、3500rmin非晶合金永磁发电机效率比相近功率和转速的常规硅钢片发电机产品高出15个百分点。2011年，中国钢研科技集团及安泰科技股份有限公司李广敏等人分别将非晶与硅钢片铁心装配在一台额定功率5kW、额定转速8000rmin的无刷直流电机中进行仿真与测试，测试结果表明，当电机定子为非晶合金时，电机效率可达8858，硅钢片铁心电机的效率为855，非晶合金电机的效率提高了308个百分点。可见非晶合金在电机上的应用明显降低了电机铁耗，通过优化非晶合金电机的设计就可以实现高效率。312功率密度高现代电机发展的显著特点是高效、节能、重量轻、体积小，在工业设备有限的空间里留给电机的安装空间十分有限，这就对电机的功率密度提出了很高的要求。非晶合金电机的优异磁特性与电机优化设计的结合使得非晶合金电机的功率密度相对传统电机来说更具优越性。在相同功率、相同转速情况下，非晶合金电机的极数和频率可以提高，可高达上千赫兹，这也使得非晶合金电机在高功率密度方面更具竞争力。例如，LE官方网站的数据显示，LE的非晶高效发电机的功率密度涵盖了03751765kWkg的范围，其中G42L2型号的非晶合金高效发电机的额定功率为100kW，峰值功率高达150kW，功率密度最高为1765kWkg；LE的非晶高效节能驱动电机的功率密度则覆盖了14042353kWkg的范围，其中M42L2型号的非晶合金驱动电机额定功率120kW，峰值功率200kW，其功率密度高达235kWkg。功率密度高意味着同样电机可以节省材料，降低电机的材料成本和电机的其他损耗。32缺点321生产成本高传统硅钢片电机定转子叠片通常采用冲床进行冲压成型，随着冲压技术的逐渐成熟，传统硅钢片电机定转子叠片的加工费用也越来越低。非晶合金材料虽然具有优异的电磁特性，但是其薄、脆、硬的物理特性导致非晶合金材料冲压加工困难，冲模磨损快，工艺成本增加。同时，非晶合金材料对应力非常敏感，因此优异性能的非晶合金铁心对其加工工艺提出了非常严格的要求。在非晶合金电机的研发过程中必须重视非晶合金铁心的加工工艺，力争在成本允许的情况下降低非晶合金电机铁心损耗，充分发挥非晶合金电机的性能优势。322振动噪声大非晶合金带材的磁滞伸缩系数是硅钢片的几倍，而且非晶合金材料对应力敏感，为了保证磁性能，压紧力不宜过大，铁心叠压系数低，相对比较松散，因此，非晶合金电机的振动噪声较传统硅钢片电机要大。非晶合金在变压器上的应用已经比较成熟，欧洲电力部门曾对非晶合金变压器和硅钢片变压器的噪声比较进行了试验。结果显示，非晶变压器的声级比同类规格的硅钢片变压器高68dB。非晶合金电机虽然没有相关的数据公布，但是可以预见其噪声要高于相同规格的硅钢片电机。4非晶合金电机的重点应用领域传统电机铁心材料一般选用冷轧硅钢片，非晶合金材料与硅钢相比，具有更低的铁心损耗，应用于电机铁心可以使电机铁耗显著降低，从而提高效率。电机的铁心损耗通常与频率的1315次幂成正比，高频电机的铁心损耗占电机总损耗的比例很高，如果高频电机铁心仍然使用硅钢材料，将会由于铁心损耗大幅度增加导致电机效率降低。目前非晶合金的Bs值低于硅钢，在工频或更低频率下，使用非晶合金替代硅钢意义不大。然而在几百赫兹以上电机铁耗明显升高，使用非晶合金铁心对于降低电机铁耗和铁心的温升变得意义重大。由此可见，非晶合金电机在高频应用领域有较明显的性能优势。当前应用的重点主要是对高功率密度有需求的高频电机，包括移动电源用发电机、电动汽车用发电机和驱动电机、高速主轴电机、风机、水泵、压缩机驱动用高频电机等。目前已经实现产业化的非晶合金电机均为高频轴向磁通电机，其主要应用场合包括电动汽车驱动电机、灯塔发电机、车用增程式发电机和其他移动发电机等。未来3年内，上述应用市场仍然是非晶合金电机的重点应用领域。今后，随着非晶合金材料Bs值的增大，电机制造工艺、拓扑结构和优化设计技术的进一步完善，将逐步扩大非晶合金电机的应用场合。5结论非晶合金电机总体起步较晚，因而国内外在技术上总体差别不大，我国非晶合金电机产业走出一逐步扩大非晶合金电机的应用场合。条完全自主研发之路是具备条件