非晶材料在高效電機(jī)上的應(yīng)用有哪些

1引 言

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%一70%。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IEZ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)能潛力非常可觀，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?a target="_blank">高精度的控制性等特點(diǎn),從自動(dòng)化的運(yùn)輸操作系統(tǒng)到電動(dòng)汽車(chē)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)域一如電動(dòng)汽車(chē)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2000一6000 r/min,由此導(dǎo)致電機(jī)的高頻率,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(chē)領(lǐng)域應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。

2 非晶材料簡(jiǎn)介

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,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)程過(guò)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)的高溫鋼水噴射 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130 0℃的鋼水降到200℃以下,形成非晶帶材。非晶帶材厚度一般控制在。0.02一0.03mm之間,可實(shí)現(xiàn)在線卷帶。工藝過(guò)程圖1所示:

2.2 非晶材料的特點(diǎn)

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,來(lái)困難。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。

2.3 非晶材料的應(yīng)用

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。

3非晶電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

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Metglas2605SIA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):

( l ) 高效節(jié)能

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/ 8一1 /l0,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。

( 2 ) 功率密度和扭矩密度大

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Ф;

b )線圈的安匝數(shù)A ;

c) 前兩者的感應(yīng)電磁頻率f

磁通量中Ф=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,中的數(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)(即中A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。

4 非晶材料在高效電機(jī)上的應(yīng)用

非晶電機(jī)的研發(fā)始于上世紀(jì)年代初,1996年美國(guó)的Light Engineering,Ine.( L E 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,湘電萊特電氣有限公司 ( 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(xiāo)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)

l ) 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)基頻一 般設(shè)計(jì)在s o oz H以 上,最高頻率甚至可達(dá)1500zH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 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。

4.2非晶電機(jī)設(shè)計(jì)

湘電萊特搭建了基于ANSO盯的盤(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,鐵合采用開(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。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：

l ) 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 12 /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,有效的減小了線圈端部,

也有效的減少了銅損;

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。

4.3已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的非晶電機(jī)介紹

l ) S2G4NI48VDC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),可用于銼電池,鎳氫電池,鉛酸電池的充電等。

2 ) S2G4LI燈塔發(fā)電機(jī)

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。

3）車(chē)用增程式發(fā)電機(jī)

4）電動(dòng)汽車(chē)用非晶驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)

功率范圍：20—20kW、大速度范圍內(nèi)提高效率、增加功率扭轉(zhuǎn)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(chē)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。

責(zé)任編輯：彭菁