铁基非晶合金应用于电机铁芯的优势及前景

第17卷 第5期

2010年10月

金属功能材料

M etallic Functional M aterials

Vol. 17, No. 5October, 2010

铁基非晶合金应用于电机铁芯的优势及前景

王立军, 张广强, 李山红, 黄书林, 周少雄

(钢铁研究总院安泰科技股份有限公司非晶制品分公司, 国家非晶微晶合金工程技术中心, 北京100081) 摘 要:本文对比了铁基非晶合金和几种常见磁芯材料的软磁性能, 提出了铁基非晶合金应用于电机定子铁芯对提高电机效率、节约能源、保护环境具有重要作用。综述了国内外非晶电机的研究现状, 并展望了非晶电机的发展前景。

关键词:非晶合金; 电机; 铁芯; 软磁材料

中图分类号:T M 35 文献标识码:A 文章编号:1005-8192(2010) 05-0058-05

Advantages and Prospects of Fe Based

Amorphous Alloy Materials Applied in

Motor Iron Core

W ANG Li jun, ZH ANG Guang qiang, LI Shan hong, H UA NG Shu lin,

ZH O U Shao x iong

(A dv anced T echnolog y &M ateria ls. Co L td, Center I ron &Steel Resea rch Instit ute, N ational Amo rphous &N ano cr ystalline A lloy Eng ineering Resear ch Centre, Beijing 100081, China)

Abstract:In this paper, throug h comparing the so ft mag netic pro per ties o f Fe based amor phous allo y wit h that o f sev eral co mmon magnetic cor e mat erials, the advantag es o f F e based amo rphous allo y applied in mo tor iron cor e ar e pr oposed fo r im pr oving the moto r efficiency, saving ener g y and protecting envir onment al T he r esear ch st atus and development pr ospects of the amor pho us metal moto r are br iefly summar ized Key words:amo rphous a llo y; moto r; iro n co re; so ft magnetic mater ial

随着哥本哈根联合国气候变化大会的召开, 环境和能源问题越来越受到世界各国的高度重视, 节

能减排已成为全人类共同关注的焦点。电机在工业生产和人民生活中都是极为重要的动力设备, 同时电机的耗电量也在各种电气设备中位居首位。全球范围内电机的用电量占世界总用电量的50%以上, 占工业用电量的70%左右; 在我国电机的用电量约占总用电量的60%, 而且目前我国电机的效率普遍比发达国家低很多

[1]

能源, 减少温室气体的排放。据推算, 如果在2020年我国全部使用高效电动机, 每年向大气中排放的CO 2和SO 2分别可以减少2 6亿t 和78 9万t 。在能源日趋紧缺和环境问题日趋严重的今天, 降低电机损耗、提高电机效率不仅在节约能源、控制环境污染等方面具有重大意义, 而且势在必行。

非晶合金又称金属玻璃, 是一种软磁性能优异的绿色工程材料。非晶合金的生产从热钢液到薄带成品一次成型, 省掉了一般冷轧金属制造工艺中的许多中间工序, 大大节约了能源, 据推算生产1kg

, 电机的效率还有很大的提升

空间。设法提高电机的效率可以在很大程度上节约

作者简介:王立军(1962-) , 男, 教授级高工, 主要从事金属功能材料的研究。E-mail:wang lijun@atmcn. com;

通讯作者:张广强(1979-) , 男, 钢铁研究总院博士后, 从事非晶合金材料的应用研究。T el:[1**********], E -mail:g uan

gqiang_zhang@126. com.

非晶合金带材比生产同重量的冷轧硅钢片可节约1L 石油。非晶合金和传统的硅钢相比, 具有更高的电阻率和更薄的带材厚度, 所以用作铁芯材料时可以将铁芯损耗降低70%~90%。由于非晶合金材料的低损耗特性, Fe 基非晶合金已经在变压器和磁传感器等领域得到了广泛应用, 目前在电机铁芯方面的应用也正受到世界各国的高度重视。

吨级生产线正在建设中。

非晶合金内部的金属原子以杂乱无序或短程有序的状态堆积在一起, 形成非晶合金凝聚态。这种特殊的结构使其具有优异的磁性能、耐腐蚀性、耐磨性能及低损耗。主要缺点是制造成形状复杂的磁芯存在一定难度。目前已达到实用化的软磁非晶合金主要有以下3大类:

第一类是3d 过渡金属(T ) 非金属系, 其中T 为Fe 、Co 、Ni 等, 非金属为B 、C 、Si 、P 等。根据成分的不同, 这类非晶合金还可分为铁基非晶合金、铁镍基非晶合金和钴基非晶合金

[4]

1 非晶合金简介

1951年, 美国物理学家Turnbull 通过水银的过冷实验, 提出液态金属可以过冷到远离平衡熔点以下不发生形核与长大而形成非晶态的理论。依据

此理论, 1960年美国加州理工学院的Duw ez [2]小组采用喷枪快速淬火技术制得了Au 75Si 25的非晶态合金。1970年, 美国联信公司(Allied Signal) 开始生产非晶合金带材, 进而引发了非晶科学和非晶工业研究的高潮。1979年出现了单辊非晶制带法, 美国联信公司研制出了2605SC 非晶态合金(Fe81%, B11%, Si3%, C5%) , 接着又研制出了不含碳的2605S2(Fe78%, B13%, Si9%) 和2605SA1(Fe80%, B11%, Si9%) 的非晶态合金。随后, 美国在20世纪80年代建成了年产万吨级的连续制带设备, 接着, 苏联、德国、日本、捷克等国家也相续建成了非晶合金的工业生产装置。我国从1976年开始从事非晶合金的研究, 80年代开始投入生产, 接着建成了百吨级和千吨级非晶宽带生产线, 目前万

表1

[3]

, 其主要性能及应用

领域如表1所示。铁基非晶合金的主要成分为铁硅

硼, 例如Fe 80B 20和Fe 78B 13Si 9, 其最佳适用频率为工频至10kH z 。主要应用于制造配电变压器、中频变压器和大功率电抗器等。钴基非晶合金有Co 70Fe 5(Si, B) 25、Co 58Ni 10Fe 5(Si, B) 27等, 最佳适用频率可高达200kH z 。但因成分中含有钴, 导致成本较高, 主要应用于制造高频变压器、脉冲变压器、磁放大器等。铁镍基非晶态合金有Fe 40Ni 40P 14B 6、Fe 48Ni 38M o 4B 8等, 其磁性介于铁基和钴基非晶合金之间, 最佳适用频率范围为工频至30kH z 。主要用于制造中频变压器、大功率电抗器、磁屏蔽和防盗标签等。另外两类非晶合金是3d 过渡金属(T ) 金属系和过渡金属(T) 稀土类金属(RE) 系, 分别可应用于薄膜磁头和磁光薄膜材料。

3d 过渡金属-非金属系非晶合金的主要性能参数及应用领域

metal and non metal system amorphous alloys

Table 1 The main performance parameters and application f ields of 3d transition

非晶合金种类

铁基非晶1 56﹤4-﹥2 P 50Hz,

1 3T

性能指标饱和磁感/T 矫顽力/A/m

B r /B s 最大磁导率铁损/W/kg

磁致伸缩系数/ s 居里温度/ 电阻率/ cm

铁镍基非晶

0 77﹤2-﹥2 P 20kH z,

105

90

钴基非晶0 6-0 8﹤2﹥0 96﹥2 105

P 20kHz, 0 5T ﹤30﹤1 10-6

﹥300

130磁放大器高频变压器脉冲变压器饱和电抗器互感器

104﹤0 2

6

0 5T ﹤

27 10-415130

15 10-6

360130

配电变压器

应用领域

中频变压器功率因数校正器

磁屏蔽防盗标签

2 常用的磁芯材料及选择

软磁材料在工业中的应用始于19世纪末, 最早

用作电机和变压器磁芯的是低碳钢; 1906年, 硅钢片的成功研制代替了低碳钢, 降低了损耗, 提高了电机和变压器的效率; 1934年美国戈斯(N P Goss)

采用两次冷轧法制成(110) [001]晶粒择优取向的冷轧硅钢片; 1968年日本田口悟等使用一次大压下率冷轧法制成了晶粒取向更加准确、铁损和磁性进一步改善的高磁感取向硅钢, 直至现在硅钢片在电力工业用软磁材料中仍居首位。此外, 常用的磁芯材料还有20世纪20年代出现的坡莫合金及坡莫合金磁粉芯, 40~60年代生产的软磁合金薄带及软磁铁氧体材料, 以及70年代出现的非晶软磁合金。

软磁磁芯可分为粉芯类和带绕类两种, 常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯、铁硅铝粉芯和铁氧体磁芯; 带绕铁芯有硅钢片、坡莫合金、非晶及纳米晶合金。几种常见软磁材料的磁性能如图1所示。其中, 软磁铁氧体是品种最多、应用最广的软磁材料, 适用频率范围从几百kH z~几GH z, 优点是在高频下具有低损耗, 而且成形方便, 可以制造出从1mm 以下至1m 范围内任意尺寸的形状非常复杂的铁芯, 不足的是饱和磁感应强度B s 太低(约为0 5T) 。钴基非晶合金具有高磁导率和低的H c , 在宽的频率范围内具有低损耗, 接近于零的饱和磁致伸缩系数, 适用频率范围从几kH z 至几百kH z, 但其价格昂贵, B s 值过低。坡莫合金即铁镍合金, 具有高初始磁导率、低矫顽力、低损耗和高可靠性, 不足的是B s 不高, 高频时损耗和有效磁导率不理想, 加工和热处理工艺复杂, 而且价格较贵。FeSiAl 材料的B s 可达1 0T , 但其有效磁导率不高, 尤其是在高频范围内。纳米晶合金具有高的磁导率和饱和磁感B s 和低的损耗, 是一种理想的高性能软磁材料, 遗憾的是纳米晶合金热处理后非常脆, 加工成形状复杂的电机定子或转子铁芯比较困难。硅钢的饱和磁感应强度B s 很高(2 1T) , 而且价格低廉, 是在工频和中频变压器、电机和电感器中应用最广泛的铁芯材料; 缺点是磁导率较低, 但随着工作频率的升高损耗迅速增加。铁基非晶合金的饱和磁感应强度B s 值虽然不如硅钢高, 然而随着成分的调整和处理工艺的改善其B s 值不断提高[5], 而且其有效磁导率值明显高于硅钢, 高频下的损耗比硅钢显著降低, 而且价格也越来越接近硅钢。

综上所述, 对于工作频率介于几百至几千Hz 的电机, 铁基非晶合金优于硅钢, 是更理想的电机铁芯材料。从发展上看, 对于电机铁芯而言, 若使用铁基非晶合金替代传统的硅钢片, 必将产生巨大的经济效益。

图1 常见软磁材料的性能对比Fig 1 Performance comparison of several

common soft magnetic materials

速的要求越来越高, 例如高速电机主轴、高速离心机、高速红外扫描仪、高速飞轮储能等领域。电机的转速与电机铁芯内的电磁频率f 成正比, 所以要实

现电机的高转速必须提高电机的频率f 。还有一些应用领域要求电机具有高功率密度, 比如飞机螺旋桨和燃油泵的驱动电机、雷达和天线的驱动电机、鱼雷和机器人的驱动电机等。电机的功率密度和电机铁芯内的磁通密度值B m 与电磁频率f 的乘积成正比, 但是受软磁材料饱和磁感应强度B s 的限制, 要大幅度提高电机的功率密度也必须提高电机的频率f 。然而, 电机定子铁芯的总损耗又与频率的1 3~1 5次方成正比。当电机的工作频率从50H z 提高到500H z, 假设磁通密度B m 不变, 电机的铁损不是增加10倍, 而是增加200多倍。因此随着频率的升高, 硅钢电机铁芯的损耗将变得非常严重, 直接导致电机效率显著下降, 甚至造成电机的过热损坏。

在电机的工作频率范围内, Fe 基非晶合金的损耗可降低为硅钢的1/3~1/5, 因此使用非晶合金作电机铁芯可显著提高电机效率。在工频或更低频率下, 电机铁损占总损耗的比重不大, 而且非晶合金的B s 值低于硅钢, 所以使用非晶合金替代硅钢意义不大; 然而在几百H z 以上电机铁损明显升高, 使用非晶合金铁芯对于降低电机铁损和铁芯的温升变得意义重大。Fe 基非晶合金除了低损耗的优势外, 还具有硅钢几倍的磁导率。所以可以在很大程度上降低电机的励磁电流, 进而降低电机的铜损。此外, 在相同的励磁磁场强度下, 硅钢铁芯的磁通密度B m 会随着频率的升高而迅速下降, 然而非晶合金铁芯的磁通密度B m 随着电磁场频率升高而下降的幅度很

3 铁基非晶合金应用于电机铁芯的优势

随着科学技术的发展,

很多应用领域对电机转

小, 基本可以忽略不计。可见, 在较高的频率下使用非晶铁芯比硅钢铁芯更具优势。

综上所述, 非晶合金应用于电机的定子铁芯可以显著降低电机的损耗, 提高电机效率, 尤其对于高频下工作的高转速或者高功率密度电机更能发挥出显著优势。

术, 已经解决了非晶带材薄、脆且硬难于加工的难题, 并且制备出了铁芯使用非晶金属而不使用钕和镝等昂贵稀有金属的电机, 如图2所示。该电机的效率可达86%, 比普通电机提高了约5个百分点。但是, 日立公司仍没有非晶电机商品进入市场, 表明他们的非晶电机产品尚未成熟。

目前, 美国莱特技术股份有限公司(Light Eng i neering Inc , 简称LE) 是世界上唯一一家已经将非晶电机推入产业化的公司。LE 公司自1996年开始研究非晶定子在电机中的应用, 至今已申请美国专利19项, 其中有6项在中国也申请了专利。从这些专利可以看出该公司在非晶合金应用于双定子轴向气隙永磁同步电机方面已经掌握了世界上最先进的技术。LE 公司生产的非晶电机均为轴向永磁电机, 其工作原理是三相交流定子电枢绕组产生一个圆形旋转磁场, 转子以同步转速旋转。对于非晶定子铁芯的加工, LE 公司的加工方法是首先将非晶带材卷绕成固定尺寸的三维环形铁芯, 再进行退火、浸漆、固化处理, 最后通过铣削的方法制成定子铁芯。电机的转子由非磁性的轴结构材料和N dFeB 永磁材料组成。LE 公司通过提高非晶电机极数和频率以及优化SPP 值和控制等手段, 使其生产的非晶电机具有高效率、高转矩和高功率密度、低转矩脉动和可利用变频高精度调速等优势。图3是LE 公

4 非晶电机的研究现状及发展前景

国外从事非晶电机研发的公司主要有日本日立(H itachi) 公司和美国莱特(LE) 公司。日立金属在电机生产方面拥有悠久的历史和先进的技术, 而且是当今世界上最大的非晶合金材料制造商, 2009年

的非晶带材年产量就突破了5 2万吨。聂尊誉在2009年2月28日! 功能材料∀的科技信息中报道:

日立公司运用在非晶变压器开发过程中所积累的技

图2 日立公司生产的非晶电机的照片Fig 2 The photograph of the amorphous motor manufactured by Japanese Hitachi company

司在2010年第2届中国国际新能源展会中展出的

非晶电机样品。

图3 LE 公司在2010年第2届中国国际新能源展会中展出的非晶电机样品

Fig 3 The amorphous metal motor exhibited by LE company at 2010

2th C hinese international new energy exhibition

目前, 我们国内从事非晶电机研发的单位很少, 仅有本课题组(安泰科技非晶电机课题组) 研究了铁基非晶合金在高速电机主轴定子铁芯方面的应用,

使用切片后浸漆、固化后切割的方法, 已经成功制备

出了各种形状复杂的非晶定子铁芯, 并且该定子铁芯应用于高速电机展示出了良好的性能。图4给出了本课题组制备的非晶定子铁芯及使用该铁芯组

装的电机主轴的照片。

[6]

图4 安泰科技非晶电机课题组研制的(a ) 非晶定子铁芯及(b) 使用该铁芯组装的高速非晶电机主轴

Fig 4 (a) Amorphous stator core and (b) high speed amorphous motorized spindle

manufactured by the amorphous motor studying team of ATM

由于非晶合金磁性能优异, 使得非晶电机具有高效率、高功率密度等优势。能源危机和环境恶化问题正威胁着人类的生活和生存环境, 世界各国除了大力发展可再生能源外, 寻求开发节能设备更是一项必不可少的措施。而且非晶电机在航空和军事设备、电子和计算机设备、电动汽车以及风力和水力发电机等众多领域拥有很大的潜在市场, 所以开发非晶电机顺应时代要求, 势在必行。

能够在很大程度上提高电机的效率和功率密度等性能, 使电机的应用领域更加广泛; 同时也响应了节能减排的世界主题, 为缓解能源危机和改善人类生存环境做出重大贡献。

参考文献:

[1]崔民选. 2006中国能源发展报告[M ]. 北京:社会科学文献出

版社, 2006.

[2]Clem ent W, et al. [J]. Natu re, 1960, 187:869. [3]卢志超, 等. [J]. 新材料产业, 2002, (3) :20. [4]赵义恒, 等. [J]. 技术前沿, 2009, 11(3) :73. [5]张国祥. [J]. 金属功能材料, 2003, 10(2) :13. [6]李山红, 等. [J]. 微特电机, 2009, (6) :23.

收稿日期:2010-04-01

5 结 论

铁基非晶合金取代硅钢应用于电机定子铁芯,

Ni Mn In 巨磁热效应合金

西班牙巴塞罗纳大学的研究人员开发了一种认为是最有发展前途的新型磁致冷材料, 它在外磁场的作用下会由于巨磁热效应而引起温度的变化。新的研究表明, 对N i M n In 合金加以适当的流体静压力, 就会产生类似于使用最有效的磁热材料所能达到的效果, 在降低压力时合金发生导致温度降低的相转变。冷的合金吸收热而使冰箱降温。在下一步合金受到压力时发生转变为原始相的相转变则升高温度。最后合金将过剩的热释放到大气中。这种合金只要压力稍有变化就会引发较大的热效应, 因而成为家用冰箱的理想材料。当合金受到外场(磁场或压力场) 作用时就会引发合金的固态相转变, 从而发生显著的潜热变化。(取自! Advanced M ater ials &Pr ocesses ∀, 2010, 168(6) :7)

高性能铁基形状记忆合金

日本东北大学的科研人员开发成功形状记忆效果比传统Nitinol 镍钛形状记忆合金高出几乎1倍的铁基形状记忆合金, 其化学成分由Fe 、N i 、Co 和T i 所组成, 是一种高强度合金, 如同所有的形状记忆合金一样能够在受热时回复原有形状, 但它所能回复的变形能力要比传统N iT i 形状记忆合金几乎大1倍之多。它的超弹性变形量高达10%~13%, 就象皮筋一样。这种形状记忆合金在形状转变时还具有延塑性的变化和很大的磁化强度的可逆变化。这种合金可制作成很细的丝材, 具有相当于当前N itinol 合金丝近1倍高的形状回复力和超弹性, 所以是当前最理想的心脑血管扩张支架用的材料, 还特别适用于地震敏感地区的建筑物。(取自! Advanced M ater ials &Pr ocesses ∀, 2010, 168(5) :17)

可回复应变量最大的铁基形状记忆合金

日本东北大学大学院的工程研究科的研究小组新近研制成功了一种室温可伸缩率高达13%的铁基形状记忆合金。与当前N iT i 形状记忆合金相比, 新合金的可伸缩率增大了1倍左右, 强度提高了75%, 而且加工性也很优良, 因此这种铁基形状记忆合金可广泛应用于精密机器、建筑工程以及医疗等领域, 其化学成分主要含有Fe 、N i 、Co 、A l 、T a 、B 。该合金通过热轧加工使内部结晶方位均匀化, 提高了弹性, 是一种制造成本低廉而且性能优越的形状记忆合金。(取自日刊! 工业材料∀, 2010, 58(5) :63)