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非晶电机定子铁心,从工艺突破到全球前沿进展深度剖析

放大字体  缩小字体 发布日期:2025-01-07  来源:铁芯视界  浏览次数:9921
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核心提示:非晶电机定子铁心,从工艺突破到全球前沿进展深度剖析
电机作为第二次工业革命的核心动力设备,在全球电量消耗中占据半壁江山,尤其在工业用电中占比高达70%。然而,电机在高频运行下会导致铁损剧增和效率下降,传统硅钢材料定子因此面临挑战。非晶合金,也称为金属玻璃,因其原子排列无序、各向同性和优异的软磁性能,成为替代硅钢的新选择。铁基非晶合金相较于硅钢,展现出高磁导率、低矫顽力、高电阻率及低损耗等优势,尤其在高速电机中可大幅降低铁损。尽管非晶合金潜力巨大,但在电机应用中仍面临饱和磁感应强度低、材料薄硬脆、加工难度大以及磁性能对应力敏感等技术难题。

非晶带材虽具有优良的软磁性能,但加工成定子铁心后性能会受到影响。因此,合适的加工工艺对非晶定子铁心至关重要。

退火处理是关键步骤,旨在去除带材中的内应力以获得更好的软磁性能。等温退火是一种广泛应用的方法,但其对非晶带材软磁性能的提升有限。磁场退火通过在退火过程中施加磁场来提升非晶合金的软磁性能,纵磁场退火和横磁场退火都能降低非晶带材损耗,增加饱和磁感应强度。快速退火技术在释放应力的同时保留带材的韧性,对非晶带材的脆性影响较小。

浸胶固化是非晶电机定子制造过程中重要的一环,它既保证非晶铁心的强度,也引入较大的应力。环氧树脂因其优良的粘结性能、低收缩率、稳定性和绝缘性能而被广泛使用。但环氧树脂固化非晶铁心时存在问题,如磁致伸缩系数较大导致的应力增加和粘度较高导致的浸润不足。研究人员对环氧树脂的力学性能、热学性能和粘度进行研究,并开发出适用的环氧树脂粘结剂。低黏度的环氧树脂的开发对非晶铁心的固化非常重要。

机械加工包括铣削、钻削、冲压等,常用于金属的加工。非晶合金的力学性能提高给加工带来了困难,如刀具磨损、加工温度高材料易晶化,以及应变硬化对磁性能的影响。模具冲压成型可以解决加工过程中材料晶化的问题。电火花线切割适合加工非晶合金,具有成本低、可切割尺寸大等优点。非晶合金的电火花加工效率相对较低,但电火花线切割加工是加工非晶合金最广泛的方法。未来研究将集中在提高加工效率和加工精度上。

非晶电机的最新研究进展显示,日本日立金属、美国通用电气、德国VAC等企业在非晶电机的研发、制造和应用方面具有较高水平。他们积极进行技术创新和产品升级,推出更高效、更可靠的非晶电机产品。日本学者Enomoto等使用高饱和磁感应强度的铁基纳米晶带材代替非晶带材,研发出的新型电机效率可达98.3%,比IE5非晶电机的效率提升约2%。英国学者Ismagilov等通过模块化非晶定子拼接的方法研制出一台高速永磁航空电机。德国卡尔斯鲁厄理工学院Jing等设计并制造了一台内置式转子高速永磁电机,其转子由非晶合金制成,最高转速可达125000r/min。瑞典学者Thorsson等通过激光熔覆FeSiCrBC非晶粉末以增材制造的方式生产出具有复杂结构的非晶转子。



国内的非晶电机行业起步较晚,但在前人的努力下,发展水平与国际水平差距不大。国内钢铁研究总院率先对非晶材料的力学特性、物理特性、化学特性和加工工艺进行了研究。安泰科技有限公司、青岛云路先进材料技术股份有限公司以及沈阳工业大学等单位对非晶铁心的加工及性能进行了大量研究并取得一定成果。安泰科技有限公司李山红等将铁基非晶、纳米晶合金冲片成预定形状,在经过适当的退火处理后浸胶固化成定子铁心,并与相同尺寸的硅钢铁心损耗进行了对比分析,发现非晶、纳米晶铁心相较于硅钢铁心损耗显著降低。青岛云路先进材料技术股份有限公司提出一种非晶铁心新型冲压设备及工艺,降低了非晶带材的冲切力。沈阳工业大学对非晶电机损耗展开了大量的研究,提出损耗因子修正模型,分析了电机结构和加工工艺对铁心损耗的影响。

图4 非晶电机铁心冲压设备示意图

综上所述,非晶合金在电机领域的应用正逐步克服技术难题,展现出巨大的潜力和优势。随着技术的不断突破,非晶合金有望为电机效率提升和节能减排贡献更大力量。来源:节选自《非晶电机定子铁心的制备工艺及最新研究进展》

 
 
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