傳統的鐵基軟磁材料用于電機的疊片已有100多年的歷史了，這樣的材料提供了出色的可制造性和出色的磁性能，當設計效率較高的電機時，其損耗卻比理想情況要多。對更高電機效率的需求促使人們研究性能更好的層壓材料。例如鎳鐵和鈷鐵，這些材料通常很昂貴，非晶鐵和納米晶鐵材料具有較高的磁性能和合理的成本，但這些材料以“澆鑄”形式才能產生成本效益，但要制造成傳統的電機結構卻具有挑戰性，目前它們僅能以薄（25微米）薄帶形式獲得，并且具有很高的硬度。

非晶態金屬

始于1960年代，研究人員研制了金屬合金時，以極快的冷卻速度鑄造它們，從而抑制了正常金屬晶體的形成。通過在冷凍的旋轉鼓上澆鑄非常薄的帶狀材料條來實現，冷卻速率在每秒一百萬度的范圍內。還有許多獨特磁性能的非晶態金屬存在，但商業重點是鐵硼硅（FeBSi），最常用的配方是鐵含量為85％至95％，硼含量為5％至5％，硅含量為5％至10％。

非晶態金屬不包含任何昂貴的元素，可以通過連續鑄造工藝高速生產，成本對于大批量應用非常合理。磁性非晶態金屬的主要用途是在配電變壓器中，變壓器的這一應用范圍證明了非晶態材料的低損耗的顯著性能。

非晶態金屬材料特性

非晶態金屬材料對磁性應用極具吸引力的三個特性是：極高的滲透性， 方形磁滯回線以及 材料表面上的氧化層可提供電絕緣。絕緣層與這種薄材料的組合產生非常低的渦流損耗特性，且能在高頻下工作。損耗約為電工鋼的十分之一，如此低的鐵損使這種材料特別具有吸引力。

近年來，電機設計首先通過減少轉子中的損耗，其次通過使用更好的繞線技術來減少銅損，電機變得更加高效。因此，剩余的定子鐵損已占現代高效電動機中總剩余損的很大百分比，這意味著減少鐵損現在是進一步提高電動機電效率的最大機會。

現在轉子加工現狀

第一種方法通過多種切割方法來嘗試切割形狀和堆疊層，切割已通過精密沖壓，激光切割，化學蝕刻和放電加工（線切割機床）完成，對于所有這些切割方法，主要缺點是需要切割或沖壓后，需要層壓單個疊片。

第二種方法是將這種材料的線圈纏繞成類似于電機形狀的結構，然后切掉該線圈中需要去除的部分。這種方法的切割方法受到更多限制，包括電火花加工（EDM）-線切割EDM和火花塞EDM-以及水射流切割，已經嘗試了激光，目前只能切割相對較小的結構。水刀切割方法的優點是形狀非常靈活，允許生產帶有極靴的整體式軸向電動機定子。

第三種方法，本質上是徑向切割鐵心或分段鐵心方法適應非晶態材料，在這里，無定形材料被纏繞成所需的子形狀，然后連接到最終的電動機組件中。

第四種方法既是嘗試過的最古老的生產方法之一，也是某些最新專利的主題。早在1980年代初期，通用電氣（GE）便嘗試直接鑄造具有整體磁極形狀的同心異形帶，以構造徑向電機，這種非常有趣且具有挑戰性的方法取得了一定程度的成功，但從未進行商業化生產。

未來先進材料和加工方法

在改進非晶態金屬的配方方面正在進行大量的研究工作，主要致力于增加這些材料的飽和磁通密度。市場上出現將銅和磷添加到鐵硼硅熔體中，從而使鐵百分比提高到90％以上。磷趨于快速氧化，這會導致熔化和鑄造問題。這種材料非常廉價，就成為繼續努力開發具有極具吸引力的有競爭力的磁性配方的動力。還有許多其他努力在尋找其他添加劑，以達到更高磁通飽和度和高磁導率的的配方。

在過去20年中，沖壓薄而硬的材料的能力得到了很大提升，新的模具材料以及在模具和沖頭之間保持較高精度的能力已大大提高，機器人堆疊和其他拾放機的速度也大大提高。同樣，水刀和激光切割的功能和精度也有所提高，這增加了可以使用這些技術切割的速度和穿透距離。近年來，水刀和激光切割設備的成本也急劇下降，這樣的改進可能會導致將來的經濟生產。激光切割已經用于原型層壓板已有很多年了，通過熔化材料并使用氣體輔助工具來噴射熔化的材料來完成的。由于需要物理移動激光頭和氣體噴嘴，因此速度受到限制。最近，已經顯示具有光學掃描頭的光纖激光器可以切割金屬疊片，并且切割速度更高。

盡管尚未將直接形狀螺旋鑄造和輥對輥成形和加工作為生產過程來實施，這些概念盡管難以實現，但仍具有理論可能性，這是一個可以進行大量研究的領域。

替代電機設計

盡管徑向感應電動機設計已主導了電動機行業很多年，但最近有許多替代技術和電動機幾何構造進入市場或至少已經提出，這些創新為開發特別適合使用非晶態金屬的電機配置開辟了可能性。一個特別的設計領域是使用軸向電動機配置，軸向電動機定子可以纏繞在心軸上并分層堆積。下圖為軸向電機是將疊層切割和堆疊在一起以形成單個定子極靴的一種方法，然后將這些定子極靴組裝成一個完整的定子結構，并使用模塑料將它們固定在定子殼體內的適當位置

結論

非晶態金屬材料具有出色的磁性能，這些性能可以帶來出色的電機性能，尤其是在電機效率方面，預計在商用電機中看到這些材料還需要很多年，制造問題仍然是主要障礙，當前使用傳統電工鋼的徑向電機在市場上的主導地位將繼續。

另一個主要障礙是軸向電機發展趨勢，目前非晶態金屬材料最適合生產軸向電機的幾何形狀。許多學術論文說明了軸向電動機相對于徑向電動機設計的優勢，但商業電機制造商尚未達成共識。在克服這些障礙之前，非晶態金屬材料電機將占很小的市場份額，如果上述問題最終得到解決，則商用電機行業將發生巨大變化。

文章來源：中國國際電機博覽會

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