非晶材料在電機領(lǐng)域應用的難點及優(yōu)勢

1?引 言

目前我國工業(yè)能耗約占總能耗的70 %,其中電機能耗約占工業(yè)能耗的60%一70%。根據(jù)調(diào)查,

我國IEI?等級的電機市場占率接近90% 的市場 份額,而企業(yè)達到IEZ以上的高效節(jié)能電機比例 只有8%。目前我國電動機的裝機容量在12億 千瓦左右,預計到2020年,我國電動機的裝機容 量將達到45億千瓦左右,新增的30多億千瓦電 機將為高效電機帶來巨大的市場空間。

理論上用非晶材料做成定子鐵心的非晶電機運行效率可達95%以上,最高可達98%。特別是在一些 中高頻的應用場合,傳統(tǒng)硅鋼片電機效率很低,而非晶電機的運行效率也在90 % 以 上,所蘊含的節(jié)能潛力非?？捎^，這就為非晶材料在高效電機上的應用提供了廣闊的舞臺。

高效永磁同步電機已廣泛應用于多種領(lǐng)域,因為具有高效率、高精度的控制性等特點,從自動化的運輸操作系統(tǒng)到電動汽車的動力系統(tǒng)設計都得到了廣泛的應用。然而許多領(lǐng)域一如電動汽車用永磁電機需要設計成扁平結(jié)構(gòu),這樣盤式永磁電機必須設計成多級,電機調(diào)速范圍需要達到2000一6000 r/min,由此導致電機的高頻率,會造成鐵磁材料的損耗的急劇增加，使得電機效率降低,給冷卻系統(tǒng)的設計帶來很大的難度。而用非晶材料制作的盤式永磁電機,則可以很大程度上減少電機的高頻鐵耗,提高 電機效率,優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設計,非晶材料的應用 較好的解決了永磁電機在電動汽車領(lǐng)域應用的瓶頸問題。

2 ?非晶材料簡介

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)。一旦金屬開始冷卻,定的晶態(tài)規(guī)律有序地排列起來,形成晶體。但如果冷卻過程過快，原子還來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。鋼水以每秒百萬度 的速度迅速冷卻,僅用千分之一秒的時間就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,可實現(xiàn)在線卷帶。工藝過程圖1所示:

2.2 ?非晶材料的特點

非晶態(tài)合金與晶態(tài)合金相比, 在物理性能、化學性能和機械性能方面都發(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 和磁感應強度和低損耗的特點。但非晶合金材料也有不可忽視的缺點:硬度過高且極其脆,來困難。不容易加工和切割;厚度僅為0.03mm,填充系數(shù)低; 對機械應力也非常敏感,從而使它的應用帶來困難。

2.3 ?非晶材料的應用

因為非晶材料這樣一系列優(yōu)良特性,國內(nèi)外均對其開展了系統(tǒng)性的理論與應用研究,在電子、航空、航天、機械、微電子等眾多領(lǐng)域 中具備了廣闊的應用空間。目前已大量應用于各種變壓器及電感產(chǎn)品,但在電機領(lǐng)域的應用還處于起步階段。也正是由于非晶材料這樣的特性,將其應用于電機產(chǎn)品成為國內(nèi)外的一大 課題。

3?非晶電機的優(yōu)點

與傳統(tǒng)材料電機相比，非晶電機具有卓越性能 和優(yōu)勢。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。

通過表1中的對比,很容易推斷出非晶電機的優(yōu)勢:

( 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鐵耗比傳統(tǒng)硅鋼片 鐵心電機小得多。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于普通硅鋼片 的1/ 8一1 /?l?0,而且頻率越高趨勢越明顯。所以非晶電機的效率比傳統(tǒng)電機要高,特別應用于中高頻場合,電機運行效率可以高出5%以上,節(jié)能效果非常明顯。

( 2 ) 功率密度和扭矩密度大

電機電能轉(zhuǎn)換的功率P與下列三個參數(shù)成正比:

a ) 磁場的磁通量Ф?;

b )線圈的安匝數(shù)A ;

c) 前兩者的感應電磁頻率f ?

磁通量中Ф=BS,其中S為磁路的有效截面積,B為設計的磁通密度。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際空間和冷卻條件,也就是取 決于電機的實際尺寸?？梢?電磁頻率f越高,相同尺寸的電機(即中A不變) 具有較高的功率,換言之,相同功率、相同轉(zhuǎn)速下的電機體積和重量越小,高頻化可以使電機 的功率密度或者轉(zhuǎn) 矩密度提高。

4 非晶材料在高效電機上的應用

非晶電機的研發(fā)始于上世紀年代初,1996年美國的Light ?Engineering,Ine.( L E 公 司 ) 成功將非晶材料應用到電機上并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,經(jīng)過十多年的研發(fā)積累,湘電萊特電氣有限公司 ( 以下簡稱湘電萊特 )開發(fā)出系列非晶永磁同步電機及發(fā)電機產(chǎn)品,在北美、歐洲及亞洲地區(qū)批量銷售并在國內(nèi)建立第一條非晶電機生產(chǎn)流水線,成為國內(nèi)非晶材料應用于高效電機的典范。本文將主要以湘電萊特的軸向磁場盤式電機產(chǎn)品來介紹非晶材料在高效電機上的應用。

4.1非晶材料在電機領(lǐng)域應用的難點

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,但要制造成電機使用的多槽鐵心,加工難度大;

2 ) 受電機驅(qū)動器最高頻率的制約,非晶電機基頻一 般設計在s o oz H以 上,最高頻率甚至可達1500zH以 上,對電機驅(qū)動器來說是個嚴峻的考驗;

3 ) 高頻電機的設計方法不能充分發(fā)揮出非晶 金屬在提高功率密度方面的潛在優(yōu)勢;

4 ) 非晶材料飽和磁化值相對普通硅鋼材料略低。

4.2非晶電機設計

湘電萊特搭建了基于ANSO盯的盤式非晶電機研發(fā)平臺,利用軟件最新版本V15推出的軸向磁場電機3D建模與仿真能力對盤式非晶電機進 行電磁計算和有限元分析。湘電萊特利用該 平臺已經(jīng)開發(fā)了系列的非晶盤式永磁同步電 機產(chǎn)品,圖3圖4為該公司電機的建模及有限元 分析示意圖。

圖5是湘電萊特設計的軸向磁場盤式永磁電機典型結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)上充分考慮了非晶材料的加工工藝要求,鐵合采用開口槽結(jié)構(gòu)。鐵心制作相 對容易。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 于實現(xiàn)自動化生產(chǎn),以高質(zhì)量、大批量的生產(chǎn) 需求。提高產(chǎn)品生產(chǎn)的機械化程度,從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量。這種結(jié)構(gòu)的特點：

l ) 軸向氣隙結(jié)構(gòu)使得電機容易實現(xiàn)多級結(jié)構(gòu),

從而實現(xiàn)電機的高頻化;

2 ) 定子的形狀相對簡單,成形更為容易,質(zhì)量可以得到有效保證;

3 )電機繞組采用 12 /分數(shù)槽結(jié)構(gòu),電機定子每 個齒上安放一個線圈,有效的減小了線圈端部,

也有效的減少了銅損;

4 )軸向磁場電機結(jié)構(gòu)給設計電機冷卻系統(tǒng)帶來方便,這也有利于設計制造出更高功率密度的電機;

5 ) 可采取模塊組合式結(jié)構(gòu),易實現(xiàn)系列化產(chǎn)品;

6 ) 線圈可采用成型線圈,容易實現(xiàn)自動化操作;

7 ) 適應于大批量生產(chǎn),可有效降低成本。

4.3?已實現(xiàn)量產(chǎn)的非晶電機介紹

l ) S2G4NI48VDC充電發(fā)電機無需在恒定速度下運行發(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。

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2 ) S2G4LI燈塔發(fā)電機

發(fā)電機設計成四組單相,空載電壓高,能實現(xiàn)對金屬鹵素物燈的啟動,可靠性高。

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3）車用增程式發(fā)電機

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4）電動汽車用非晶驅(qū)動電機系統(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、風冷或水冷、多種工作電壓、高速工作范圍、全封閉式結(jié)構(gòu)。

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通過非晶材料在高效電機上的成功應用，能有效的提高電機的效率，提高功率密度比，減小體積重量，從而實現(xiàn)節(jié)能減排，符合國家產(chǎn)業(yè)政策。非晶高效電機在高頻高速、航空、航天、軍工、電動汽車上有廣闊的應用前景，非晶材料在高效電機上的應用有著巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

編輯：黃飛

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