Аморфный

Аморфные материалы в электродвигателях: от снижения потерь железа до высокоэффективных систем электропривода

В современной автомобильной промышленности, будь то тяговые двигатели транспортных средств на новых источниках энергии, двигатели с регулируемой частотой для хранения энергии или совместные сервосистемы роботов-гуманоидов, основные тенденции неизбежно связаны с двумя ключевыми целями: расширением границ эффективности и удельной мощности. Сдерживающими факторами, определяющими эти ограничения, стали материалы, особенно мягкие магнитные материалы. Среди различных новых магнитных материалов аморфные сплавы постепенно превращаются из магнитных компонентов в сам сердечник двигателя, играя решающую роль в снижении потерь железа и повышении эффективности использования высоких частот. Особенно в тех случаях, когда традиционная кремнистая сталь (Si-Fe, Si-Fe-Co) с трудом отвечает требованиям высоких частот, аморфные материалы обладают значительной практической ценностью.

Аморфные сплавы, по сути, представляют собой легированные ленты с неупорядоченным атомным расположением и без границ зерен. Эта структура придает им несколько магнитных характеристик, которые очень важны для двигателей:

• Чрезвычайно низкая коэрцитивная сила:Это означает, что намагничивание и размагничивание происходят легче и требуют меньше энергии.
• Исключительно низкие потери железа:Особенно в высокочастотных диапазонах. В то время как в традиционной кремнистой стали потери железа резко увеличиваются выше 1 кГц, аморфные материалы сохраняют низкие уровни потерь.
• Высокая резистивность:Эффективно подавляет потери на вихревые токи, что делает их более подходящими для высокоскоростных двигателей или высокочастотных приводов.

Эти свойства привели к широкомасштабному применению аморфных материалов, впервые в трансформаторном секторе, таких как аморфные металлические трансформаторы (AMT). В последние годы, когда двигательная техника стремится к повышению частот, скоростей и миниатюризации, автомобильная промышленность начала по-настоящему внедрять аморфные сердечники.

Направления применения аморфных материалов в двигателях

1. Высокоскоростные двигатели (высокоскоростные насосы, компрессоры, приводы транспортных средств)

Высокоскоростные двигатели обычно работают в диапазоне от 20 000 до 120 000 об/мин или даже выше. В этих высокоскоростных конструкциях высокочастотные магнитные поля превращают потери железа в основной источник тепла. Использование аморфных материалов для сердечника позволяет значительно снизить повышение температуры и повысить эксплуатационную эффективность, обеспечивая более высокую удельную мощность, эффективность и меньший вес. Проводятся испытания в таких областях, как высокоскоростные авиационные насосы и усилители запаса хода для электромобилей.

2. Роботизированные сервоприводы/роботы-гуманоиды

Роботы-гуманоиды предъявляют одни из самых строгих требований к системам привода. Плотность крутящего момента должна быть высокой, двигатели должны быть небольшими, а пространство для охлаждения ограничено. Высокочастотные PWM-приводы приводят к значительным потерям. Традиционная кремнистая сталь демонстрирует значительно повышенные потери железа при переключении частот в диапазоне кГц, тогда как аморфные/нанокристаллические сердечники могут заметно решить эту проблему. Это приводит к более стабильному высокому крутящему моменту на низких оборотах, снижению повышения температуры в высокочастотных приводах и потенциальному уменьшению объема двигателя на 10— 30%. Даже повышение эффективности на 1— 3% особенно важно для сервосистем. Некоторые производители в настоящее время тестируют аморфные сердечники в сочетании с усовершенствованными структурами охлаждения небольшими партиями.

3. Подавление потерь железа в тренде на создание высокочастотных синхронных двигателей с постоянными магнитами

Тяговые приводы транспортных средств, работающих на новых источниках энергии, часто работают с частотой переключения от 6 кГц до 20 кГц. Традиционная кремнистая сталь демонстрирует значительные потери на таких высоких частотах, что усугубляется воздействием высокочастотных гармоник, образующихся в таких конструкциях, как конструкции с синхронным сопротивлением, штифтовые обмотки и усовершенствованные стратегии ослабления поля. Это побуждает к изучению передовых комбинаций материалов, таких как композитные пленки из аморфной и кремнистой стали, локальное использование аморфного материала в магнитных барьерах или мостах роторов и использование нанокристаллических материалов для демпфирования компонентов. Хотя стоимость остается ограничивающим фактором, направление производительности ясно.

4. Двигатели с магнитной левитацией, малошумные приводы, высококачественное промышленное оборудование

Такие приложения, как двигатели с магнитной левитацией, вакуумные насосы и оборудование для обработки полупроводников, очень чувствительны к шуму двигателя, электромагнитным помехам и повышению температуры. Свойства аморфных материалов с низкими потерями и высоким удельным сопротивлением могут уменьшить высокочастотный магнитный шум, пульсацию крутящего момента и источники вибрации.

Инженерные проблемы в области применения двигателей

Аморфные ленты обычно очень тонкие, что затрудняет обычную штамповку, так как она может легко вызвать растрескивание. Часто требуются специальные инструменты, лазерная резка и клеевое ламинирование, что приводит к увеличению затрат. Кроме того, хотя аморфные материалы обладают высокой проницаемостью, их плотность потока насыщения обычно ниже, чем у высококачественной кремнистой стали, что требует конструктивных компромиссов. Однако по мере расширения производства аморфных порошков и других форм стоимость материалов, как ожидается, снизится, что будет способствовать более широкому применению.

Станут ли аморфные материалы основным направлением в производстве двигателей?

В краткосрочной перспективе аморфные материалы вряд ли смогут полностью заменить кремниевую сталь и найдут основное применение в высокотехнологичных, высокочастотных и высокоскоростных приложениях. В среднесрочной и долгосрочной перспективе по мере развития таких технологий, как порошковые системы, мягкие магнитные композиты и крупногабаритное аморфное ламинирование, ожидается, что аморфные материалы найдут широкое применение в высокоскоростных тяговых двигателях, приводах роботов-гуманоидов, высокоэффективных промышленных сервоприводах, высокоскоростных микронасосах и высокочастотных тяговых приводах нового поколения для транспортных средств на новых источниках энергии.

‍