非晶

电机应用中的非晶材料：从减少铁损耗到高效电力驱动系统

在当前的电机行业中，无论是新能源汽车牵引电机、用于储能的变频电机，还是仿人机器人中的关节伺服系统，总体趋势不可避免地围绕着两个关键目标展开：突破效率和功率密度的极限。材料，尤其是软磁材料，已成为决定这些极限的限制因素。在各种新的磁性材料中，非晶合金正逐步从磁性元件演变为电机磁芯本身，在减少铁损耗和提高高频效率方面发挥着至关重要的作用。特别是在传统硅钢（Si-Fe、Si-Fe-Co）难以满足高频需求的情况下，非晶材料表现出显著的实用价值。

非晶合金本质上是具有无序原子排列且没有晶界的合金带。这种结构赋予了它们多种对电机非常有价值的磁特性：

• 极低的矫顽力：这意味着磁化和消磁更容易发生，需要更少的能量。
• 极低的铁损失：特别是在高频范围内。虽然传统硅钢的铁损耗在1 kHz以上的急剧增加，但非晶材料的损耗水平却很低。
• 高电阻率：有效抑制涡流损耗，使其更适合高速电机或高频驱动器。

这些特性导致非晶材料首先在变压器领域大规模应用，例如非晶金属变压器（AMT）。近年来，随着电机技术朝着更高的频率、更高的速度和小型化的方向发展，电机行业已开始真正采用非晶磁芯。

非晶材料在电机中的应用方向

1。高速电机（高速泵、压缩机、车辆驱动器）

高速电机通常在 20,000 转/分到 120,000 转/分之间运行，甚至更高。在这些高速结构中，高频磁场使铁损失成为主要热源。使用非晶材料作为内核可以显著减少温度升高并提高运行效率，从而实现更高的功率密度、更高的效率和更轻的重量。正在高速航空泵和电动汽车增程器等领域试用应用。

2。机器人伺服/仿人机器人关节马达

仿人机器人对驱动系统施加了一些最严格的要求。扭矩密度必须高，电机必须小，冷却空间有限。高频 PWM 驱动器会产生重大损失。在kHz范围内的开关频率下，传统硅钢的铁损耗显著增加，而非晶/纳米晶磁芯可以显著改善这个问题。这样可以在低速下实现更稳定的高扭矩输出，降低高频驱动下的温度上升，并可能使电机体积减少10-30％。即使是 1— 3% 的效率增益对于伺服系统也特别有价值。一些制造商现在正在小批量验证结合先进冷却结构的非晶磁芯。

3.高频永磁同步电机趋势中的铁损抑制

新能源汽车中的牵引驱动器通常在 6 kHz 到 20 kHz 之间的开关频率下运行。传统硅钢在这些高频下会出现显著的损耗，同步磁阻设计、发夹式绕组和先进的磁场弱化策略等结构产生的高频谐波加剧了这种损耗。这推动了对先进材料组合的探索，例如非晶+硅钢复合材料层压、在转子磁屏障或桥梁中局部使用非晶材料以及使用纳米晶材料作为阻尼组件。尽管成本仍然是限制因素，但性能方向很明确。

4。磁悬浮电机、低噪音驱动器、高端工业设备

磁悬浮电机、真空泵和半导体加工设备等应用对电机噪声、电磁干扰和温升高度敏感。非晶材料的低损耗、高电阻率特性可以改善高频磁噪声、扭矩波动和振动源。

电机应用中的工程挑战

非晶带通常非常薄，对传统冲压带来了挑战，而传统冲压很容易导致开裂。定制工具、激光切割和粘合层压通常是必要的，这增加了成本。此外，尽管非晶材料具有高渗透率，但其饱和通量密度通常低于高级硅钢，因此需要在设计上进行权衡。但是，随着非晶粉末和其他形式生产的扩大，材料成本预计将降低，从而促进更广泛的应用。

非晶材料会成为电机的主流吗？

在短期内，非晶材料不太可能完全取代硅钢，主要用于高端、高频和高速应用。从中长期来看，随着粉末系统、软磁复合材料和大型非晶层压等技术的成熟，非晶材料有望在高速牵引电机、仿人机器人执行器、高效工业伺服、微型高速泵和新能源汽车的下一代高频牵引驱动器中得到大规模采用。

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