电机转子薄板的先进材料-非晶态金属：过去，现在和未来

传统的铁基软磁材料用于电机的叠片已有100多年的历史了，这样的材料提供了出色的可制造性和出色的磁性能，当设计效率较高的电机时，其损耗却比理想情况要多。对更高电机效率的需求促使人们研究性能更好的层压材料。例如镍铁和钴铁，这些材料通常很昂贵，非晶铁和纳米晶铁材料具有较高的磁性能和合理的成本，但这些材料以“浇铸”形式才能产生成本效益，但要制造成传统的电机结构却具有挑战性，目前它们仅能以薄（25微米）薄带形式获得，并且具有很高的硬度。

非晶态金属

始于1960年代，研究人员研制了金属合金时，以极快的冷却速度铸造它们，从而抑制了正常金属晶体的形成。通过在冷冻的旋转鼓上浇铸非常薄的带状材料条来实现，冷却速率在每秒一百万度的范围内。还有许多独特磁性能的非晶态金属存在，但商业重点是铁硼硅（FeBSi），最常用的配方是铁含量为85％至95％，硼含量为5％至5％，硅含量为5％至10％。

非晶态金属不包含任何昂贵的元素，可以通过连续铸造工艺高速生产，成本对于大批量应用非常合理。磁性非晶态金属的主要用途是在配电变压器中，变压器的这一应用范围证明了非晶态材料的低损耗的显著性能。

非晶态金属材料特性

非晶态金属材料对磁性应用极具吸引力的三个特性是：极高的渗透性， 方形磁滞回线以及 材料表面上的氧化层可提供电绝缘。绝缘层与这种薄材料的组合产生非常低的涡流损耗特性，且能在高频下工作。损耗约为电工钢的十分之一，如此低的铁损使这种材料特别具有吸引力。

近年来，电机设计首先通过减少转子中的损耗，其次通过使用更好的绕线技术来减少铜损，电机变得更加高效。因此，剩余的定子铁损已占现代高效电动机中总剩余损的很大百分比，这意味着减少铁损现在是进一步提高电动机电效率的最大机会。

现在转子加工现状

第一种方法通过多种切割方法来尝试切割形状和堆叠层，切割已通过精密冲压，激光切割，化学蚀刻和放电加工（线切割机床）完成，对于所有这些切割方法，主要缺点是需要切割或冲压后，需要层压单个叠片。

第二种方法是将这种材料的线圈缠绕成类似于电机形状的结构，然后切掉该线圈中需要去除的部分。这种方法的切割方法受到更多限制，包括电火花加工（EDM）-线切割EDM和火花塞EDM-以及水射流切割，已经尝试了激光，目前只能切割相对较小的结构。水刀切割方法的优点是形状非常灵活，允许生产带有极靴的整体式轴向电动机定子。

第三种方法，本质上是径向切割铁心或分段铁心方法适应非晶态材料，在这里，无定形材料被缠绕成所需的子形状，然后连接到最终的电动机组件中。

第四种方法既是尝试过的最古老的生产方法之一，也是某些最新专利的主题。早在1980年代初期，通用电气（GE）便尝试直接铸造具有整体磁极形状的同心异形带，以构造径向电机，这种非常有趣且具有挑战性的方法取得了一定程度的成功，但从未进行商业化生产。

未来先进材料和加工方法

在改进非晶态金属的配方方面正在进行大量的研究工作，主要致力于增加这些材料的饱和磁通密度。市场上出现将铜和磷添加到铁硼硅熔体中，从而使铁百分比提高到90％以上。磷趋于快速氧化，这会导致熔化和铸造问题。这种材料非常廉价，就成为继续努力开发具有极具吸引力的有竞争力的磁性配方的动力。还有许多其他努力在寻找其他添加剂，以达到更高磁通饱和度和高磁导率的的配方。

在过去20年中，冲压薄而硬的材料的能力得到了很大提升，新的模具材料以及在模具和冲头之间保持较高精度的能力已大大提高，机器人堆叠和其他拾放机的速度也大大提高。同样，水刀和激光切割的功能和精度也有所提高，这增加了可以使用这些技术切割的速度和穿透距离。近年来，水刀和激光切割设备的成本也急剧下降，这样的改进可能会导致将来的经济生产。激光切割已经用于原型层压板已有很多年了，通过熔化材料并使用气体辅助工具来喷射熔化的材料来完成的。由于需要物理移动激光头和气体喷嘴，因此速度受到限制。最近，已经显示具有光学扫描头的光纤激光器可以切割金属叠片，并且切割速度更高。

尽管尚未将直接形状螺旋铸造和辊对辊成形和加工作为生产过程来实施，这些概念尽管难以实现，但仍具有理论可能性，这是一个可以进行大量研究的领域。

替代电机设计

尽管径向感应电动机设计已主导了电动机行业很多年，但最近有许多替代技术和电动机几何构造进入市场或至少已经提出，这些创新为开发特别适合使用非晶态金属的电机配置开辟了可能性。一个特别的设计领域是使用轴向电动机配置，轴向电动机定子可以缠绕在心轴上并分层堆积。下图为轴向电机是将叠层切割和堆叠在一起以形成单个定子极靴的一种方法，然后将这些定子极靴组装成一个完整的定子结构，并使用模塑料将它们固定在定子壳体内的适当位置

结论

非晶态金属材料具有出色的磁性能，这些性能可以带来出色的电机性能，尤其是在电机效率方面，预计在商用电机中看到这些材料还需要很多年，制造问题仍然是主要障碍，当前使用传统电工钢的径向电机在市场上的主导地位将继续。

另一个主要障碍是轴向电机发展趋势，目前非晶态金属材料最适合生产轴向电机的几何形状。许多学术论文说明了轴向电动机相对于径向电动机设计的优势，但商业电机制造商尚未达成共识。在克服这些障碍之前，非晶态金属材料电机将占很小的市场份额，如果上述问题最终得到解决，则商用电机行业将发生巨大变化。

文章来源：中国国际电机博览会

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