非晶合金在电机中的应用.docx

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1、1引言1．1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

2、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。1．2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

3、是铁耗极低，仅为冷轧硅钢片的1／5～1／10，甚至1／15，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：①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；②饱和磁密低，目前仅1．56T，工作磁密小于1．3T。如果电机定子铁心的工作磁密设计值高于1．3T，需增加定子铁心的尺寸。2非晶合金电机的研发动态2．1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

4、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Met．glass2605SC)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

5、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

6、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AlliedSig—nal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

7、心卷绕模块拼接技术设计了一台200W、2000r／min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、2000r／min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、15000r／min的小型高速轴向磁通永磁电机，定子铁心直接由非晶带材

8、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T．A．Lipo教授