摘 要：
本文闡述了非晶材料的特點(diǎn)及非晶電機(jī)的卓越性能及優(yōu)勢(shì)，通過(guò)非晶材料盤(pán)式永磁電機(jī)的應(yīng)用實(shí)例，介紹了非晶材料在高效電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用。
目前我國(guó)工業(yè)能耗約占總能耗的70%，其中電機(jī)能耗約占工業(yè)能耗的60%~70%。根據(jù)調(diào)查，我國(guó)IEI等級(jí)的電機(jī)市場(chǎng)占率接近90%的市場(chǎng)份額，而企業(yè)達(dá)到IE2以上的高效節(jié)能電機(jī)比例只有8%。目前我國(guó)電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)容量在12億千瓦左右，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)容量將達(dá)到45億千瓦左右，新增的30多億千瓦電機(jī)將為高效電機(jī)帶來(lái)巨大的市場(chǎng)空間。
理論上用非晶材料做成定子鐵心的非晶電機(jī)運(yùn)行效率可達(dá)95%以上，最高可達(dá)98%。特別是在一些中高頻的應(yīng)用場(chǎng)合，傳統(tǒng)硅鋼片電機(jī)效率很低，而非晶電機(jī)的運(yùn)行效率也在90%以上，所蘊(yùn)含的節(jié)能潛力非�？捎^，這就為非晶材料在高效電機(jī)上的應(yīng)用提供了廣闊的舞臺(tái)。
高效永磁同步電機(jī)已廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，因?yàn)榫哂懈咝省⒏呔鹊目刂菩缘忍攸c(diǎn)，從自動(dòng)化的運(yùn)輸操作系統(tǒng)到電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)都得到了廣泛的應(yīng)用。然而許多領(lǐng)域-如電動(dòng)汽車用永磁電機(jī)需要設(shè)計(jì)成扁平結(jié)構(gòu)，這樣盤(pán)式永磁電機(jī)必須設(shè)計(jì)成多級(jí)，電機(jī)調(diào)速范圍需要達(dá)到2000~6000r/min，由此導(dǎo)致電機(jī)的高順率，會(huì)造成鐵磁材料的損耗的急劇增加，使得電機(jī)效率降低，給冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的難度。而用非晶材料制作的盤(pán)式永磁電機(jī)，則可以很大程度上減少電機(jī)的高頻鐵耗，提高電機(jī)效率，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，非晶材料的應(yīng)用較好的解決了永磁電機(jī)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。
2.1 非晶材料的形成
金屬在熔化后，內(nèi)部原子處于活躍狀態(tài)。一旦金屬開(kāi)始冷卻，原子就會(huì)隨著溫度的下降，而慢慢地按照一定的晶態(tài)規(guī)律有序地排列起來(lái)，形成晶體。但如果冷卻過(guò)程很快，原子還來(lái)不及重新排列就被凝固住了，就產(chǎn)生了非晶體。非晶態(tài)合金是具有非晶體原子結(jié)構(gòu)的金屬合金。制備非晶態(tài)合金采用的正是一種快速凝固的工藝。將處于熔融狀態(tài)的高溫銅水噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥上。鋼水以每秒百萬(wàn)度的速度迅速冷卻，僅用千分之一秒的時(shí)間就將1300℃的鍋水降到200℃以下，形成非晶帶材。非晶帶材厚度一般控制在0.02～0.03mm之間，可實(shí)現(xiàn)在線卷帶。工藝過(guò)程圖1所示：
非晶態(tài)合金與晶態(tài)合金相比，在物理性能、化學(xué)性能和機(jī)械性能方面都發(fā)生了顯著的變化。以鐵元素為主的非晶態(tài)合金為例，它具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和低損耗的特點(diǎn)。但非晶合金材料也有不可忽視的缺點(diǎn)；硬度過(guò)高且極其脆，不容易加工和切割；厚度僅為0.03mm，填充系數(shù)低；對(duì)機(jī)械應(yīng)力也非常敏感，從而使它的應(yīng)用帶來(lái)困難。
因?yàn)榉蔷Р牧线@樣一系列優(yōu)良特性，國(guó)內(nèi)外均對(duì)其開(kāi)展了系統(tǒng)性的理論與應(yīng)用研究，在電子、航空、航天、機(jī)械、微電子等眾多領(lǐng)域中具備了廣闊的應(yīng)用空間。目前已大量應(yīng)用于各種變壓器及電感產(chǎn)品，但在電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段。也正是由于非晶材料這樣的特性，將其應(yīng)用于電機(jī)產(chǎn)品成為國(guó)內(nèi)外的一大課題。
與傳統(tǒng)材料電機(jī)相比，非晶電機(jī)具有卓越性能和優(yōu)勢(shì)。下表以DW47和Metglus2605SAl為例列出了硅鋼片與非晶材料定子鐵心的不同特性。
通過(guò)表1中的對(duì)比，很容易推斷出非晶電機(jī)的優(yōu)勢(shì)：
由于非晶合金材料的低損耗特性，使得采用該材料作為鐵心制造的電機(jī)鐵耗比傳統(tǒng)硅鋼片鐵心電機(jī)小得多。從圖2可以看出，非晶態(tài)合金材料在中高頻下的損耗只相當(dāng)于普通硅鋼片的1/8~1/10，而且頻率越高趨勢(shì)越明顯。所以非晶電機(jī)的效率比傳統(tǒng)電機(jī)要高，特別應(yīng)用于中高頻場(chǎng)合，電機(jī)運(yùn)行效率可以高出5%以上，節(jié)能效果非常明顯。
電機(jī)電能轉(zhuǎn)換的功率P與下列三個(gè)參數(shù)成正比：
a）磁場(chǎng)的磁通量；b）線圈的安匝數(shù)A；c）前兩者的感應(yīng)電磁頻率fPαφAf磁通量 φ= BS，其中S為磁路的有效截面積，B為設(shè)計(jì)的磁通密度。在磁路尺寸和磁路材料確定后，φ的數(shù)值就已確定。線圈的安匝數(shù)A取決于安裝線圈的實(shí)際空間和冷卻條件，也就是取決于電機(jī)的實(shí)際尺寸。可見(jiàn)，電磁頻率f越高，相同尺寸的電機(jī)（即φA不變）具有較高的功率，換言之，相同功率、相同轉(zhuǎn)速下的電機(jī)體積和重量越小，高頻化可以使電機(jī)的功率密度或者轉(zhuǎn)矩密度提高。
非晶電機(jī)的研發(fā)始于上世紀(jì)90年代初，1996年美國(guó)的Light Engineering，Inc.（LE公司）成功將非晶材料應(yīng)用到電機(jī)上并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，經(jīng)過(guò)十多年的研發(fā)積累，湘電菜特電氣有限公司（以下簡(jiǎn)稱湘電萊特）開(kāi)發(fā)出系列非晶永磁同步電機(jī)及發(fā)電機(jī)產(chǎn)品，在北美、歐洲及亞洲地區(qū)批量銷售，并在國(guó)內(nèi)建立第一條非晶電機(jī)生產(chǎn)流水線，成為國(guó)內(nèi)非晶材料應(yīng)用于高效電機(jī)的典范。本文將主要以湘電萊特的軸向磁場(chǎng)盤(pán)式電機(jī)產(chǎn)品來(lái)介紹非晶材料在高效電機(jī)上的應(yīng)用。
4.1 非晶材料在電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用的難點(diǎn)
1）非晶態(tài)金屬硬度高，難于加工成形。制造成C型或環(huán)形鐵心較容易，但要制造成電機(jī)使用的多槽鐵心，加工難度大；
2）受電機(jī)驅(qū)動(dòng)器最高頻率的制約，非晶電機(jī)基須一般設(shè)計(jì)在500Hz以上，最高頻率甚至可達(dá)1500Hz以上，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)是個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)；
3）高頻電機(jī)的設(shè)計(jì)方法不能充分發(fā)揮出非晶態(tài)金屬在提高功率密度方面的潛在優(yōu)勢(shì)；
4）非晶材料飽和磁化值相對(duì)普通硅鋼材料略低。
湘電萊特搭建了基于ANSOFT的盤(pán)式非晶電機(jī)研發(fā)平臺(tái)，利用軟件最新版本V15推出的軸向磁場(chǎng)電機(jī)3D 建模與仿真能力對(duì)盤(pán)式非晶電機(jī)進(jìn)行電磁計(jì)算和有限元分析。湘電萊特利用該平臺(tái)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了系列的非晶盤(pán)式永磁同步電機(jī)產(chǎn)品，圖3圖4為該公司電機(jī)的建模及有限元分析示意圖。
圖3 非晶盤(pán)式電機(jī)全模型 圖4 非晶盤(pán)式電機(jī)磁密
圖5是湘電萊特設(shè)計(jì)的軸向磁場(chǎng)盤(pán)式永磁電機(jī)典型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上充分考慮了非晶材料的加工工藝要求，鐵心采用開(kāi)口槽結(jié)構(gòu)。鐵心制作相對(duì)容易。采用少槽結(jié)構(gòu)，集中繞組成型線圈，用以減小線圈端部，也減少了有效材料電阻引起的損耗。這種結(jié)構(gòu)在繞組制作及其下線中，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，以高質(zhì)量、大批量的生產(chǎn)需求。提高產(chǎn)品生產(chǎn)的機(jī)械化程度，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量。
1）軸向氣隙結(jié)構(gòu)使得電機(jī)容易實(shí)現(xiàn)多級(jí)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高頻化；
2）定子的形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，成形更為容易，質(zhì)量可以得到有效保證；
3）電機(jī)繞組采用1/2分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)，電機(jī)定子每個(gè)齒上安放一個(gè)線圈，有效的減小了線圈增部，也有效的減少了銅損；
圖5 軸向磁場(chǎng)盤(pán)式永磁電機(jī)結(jié)構(gòu) 圖6 線圈示意圖
4）軸向磁場(chǎng)電機(jī)結(jié)構(gòu)給設(shè)計(jì)電機(jī)冷卻系統(tǒng)帶來(lái)方便，這也有利于設(shè)計(jì)制造出更高功率密度的電機(jī)；
5）可采取模塊組合式結(jié)構(gòu)，易實(shí)現(xiàn)系列化產(chǎn)品；
6）線圈可采用成型線圈，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作；
7）適應(yīng)于大批量生產(chǎn)，可有效降低成本。
1）SG24N1 48VDC充電發(fā)電機(jī)
無(wú)需在恒定速度下運(yùn)行發(fā)電，充電控制專利技術(shù)，可用于鋰電池，鎳氯電池，鉛酸電池的充電等。
發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)成四組單相，空載電壓高，能實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬鹵素物燈的啟動(dòng)，可靠性高。
4）電動(dòng)汽車用非晶驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)
功率范圍：25-200kW、大速度范圍內(nèi)提高效率、增加功率扭距密度、風(fēng)冷或水冷、多種工作電壓、高速工作范圍、全封閉式結(jié)構(gòu)。
通過(guò)非晶材料在高效電機(jī)上的成功應(yīng)用，能有效的提高電機(jī)的效率，提高功率密度比，減小體積重量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策。非晶高效電機(jī)在高頻高速、航空、航天、軍工、電動(dòng)汽車上有廣闊的應(yīng)用前景，非晶材料在高效電機(jī)上的應(yīng)用有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
