永磁電機在電動汽車領域應用的瓶頸問題

1 ?引言

目前我國工業能耗約占總能耗的70%，其中電機能耗約占工業能耗的60%~70%。根據調查，我國IEI等級的電機市場占率接近90%的市場份額，而企業達到IE2以上的高效節能電機比例只有8%。目前我國電動機的裝機容量在12億千瓦左右，預計到2020年，我國電動機的裝機容量將達到45億千瓦左右，新增的30多億千瓦電機將為高效電機帶來巨大的市場空間。理論上用非晶材料做成定子鐵心的非晶電機運行效率可達95%以上，最高可達98%。特別是在一些中高頻的應用場合，傳統硅鋼片電機效率很低，而非晶電機的運行效率也在90%以上，所蘊含的節能潛力非常可觀，這就為非晶材料在高效電機上的應用提供了廣闊的舞臺。高效永磁同步電機已廣泛應用于多種領域，因為具有高效率、高精度的控制性等特點，從自動化的運輸操作系統到電動汽車的動力系統設計都得到了廣泛的應用。然而許多領域-如電動汽車用永磁電機需要設計成扁平結構，這樣盤式永磁電機必須設計成多級，電機調速范圍需要達到2000~6000r/min，由此導致電機的高順率，會造成鐵磁材料的損耗的急劇增加，使得電機效率降低，給冷卻系統的設計帶來很大的難度。而用非晶材料制作的盤式永磁電機，則可以很大程度上減少電機的高頻鐵耗，提高電機效率，優化冷卻系統設計，非晶材料的應用較好的解決了永磁電機在電動汽車領域應用的瓶頸問題。

2 ?非晶材料簡介

2.1 ?非晶材料的形成

金屬在熔化后，內部原子處于活躍狀態。一旦金屬開始冷卻，原子就會隨著溫度的下降，而慢慢地按照一定的晶態規律有序地排列起來，形成晶體。但如果冷卻過程很快，原子還來不及重新排列就被凝固住了，就產生了非晶體。非晶態合金是具有非晶體原子結構的金屬合金。制備非晶態合金采用的正是一種快速凝固的工藝。將處于熔融狀態的高溫銅水噴射到高速旋轉的冷卻輥上。鋼水以每秒百萬度的速度迅速冷卻，僅用千分之一秒的時間就將1300℃的鍋水降到200℃以下，形成非晶帶材。非晶帶材厚度一般控制在0.02～0.03mm之間，可實現在線卷帶。工藝過程圖1所示：

2.2 ?非晶材料的特點

非晶態合金與晶態合金相比，在物理性能、化學性能和機械性能方面都發生了顯著的變化。以鐵元素為主的非晶態合金為例，它具有高飽和磁感應強度和低損耗的特點。但非晶合金材料也有不可忽視的缺點；硬度過高且極其脆，不容易加工和切割；厚度僅為0.03mm，填充系數低；對機械應力也非常敏感，從而使它的應用帶來困難。

2.3 ?非晶材料的應用

因為非晶材料這樣一系列優良特性，國內外均對其開展了系統性的理論與應用研究，在電子、航空、航天、機械、微電子等眾多領域中具備了廣闊的應用空間。目前已大量應用于各種變壓器及電感產品，但在電機領域的應用還處于起步階段。也正是由于非晶材料這樣的特性，將其應用于電機產品成為國內外的一大課題。

3 ?非晶電機的優點

與傳統材料電機相比，非晶電機具有卓越性能和優勢。下表以DW47和Metglus2605SAl為例列出了硅鋼片與非晶材料定子鐵心的不同特性。

通過表1中的對比，很容易推斷出非晶電機的優勢： （1）高效節能 由于非晶合金材料的低損耗特性，使得采用該材料作為鐵心制造的電機鐵耗比傳統硅鋼片鐵心電機小得多。從圖2可以看出，非晶態合金材料在中高頻下的損耗只相當于普通硅鋼片的1/8~1/10，而且頻率越高趨勢越明顯。所以非晶電機的效率比傳統電機要高，特別應用于中高頻場合，電機運行效率可以高出5%以上，節能效果非常明顯。

圖 2

（2）功率密度和扭矩密度大

電機電能轉換的功率P與下列三個參數成正比：

a）磁場的磁通量；b）線圈的安匝數A；c）前兩者的感應電磁頻率f

PαφAf

磁通量 φ= BS，其中S為磁路的有效截面積，B為設計的磁通密度。在磁路尺寸和磁路材料確定后，φ的數值就已確定。線圈的安匝數A取決于安裝線圈的實際空間和冷卻條件，也就是取決于電機的實際尺寸。可見，電磁頻率f越高，相同尺寸的電機（即φA不變）具有較高的功率，換言之，相同功率、相同轉速下的電機體積和重量越小，高頻化可以使電機的功率密度或者轉矩密度提高。

4 ?非晶材料在高效電機上的應用

非晶電機的研發始于上世紀90年代初，1996年美國的Light Engineering，Inc.（LE公司）成功將非晶材料應用到電機上并實現產業化，經過十多年的研發積累，湘電菜特電氣有限公司（以下簡稱湘電萊特）開發出系列非晶永磁同步電機及發電機產品，在北美、歐洲及亞洲地區批量銷售，并在國內建立第一條非晶電機生產流水線，成為國內非晶材料應用于高效電機的典范。本文將主要以湘電萊特的軸向磁場盤式電機產品來介紹非晶材料在高效電機上的應用。

4.1 ?非晶材料在電機領域應用的難點

1）非晶態金屬硬度高，難于加工成形。制造成C型或環形鐵心較容易，但要制造成電機使用的多槽鐵心，加工難度大；

2）受電機驅動器最高頻率的制約，非晶電機基須一般設計在500Hz以上，最高頻率甚至可達1500Hz以上，對電機驅動器來說是個嚴峻的考驗；

3）高頻電機的設計方法不能充分發揮出非晶態金屬在提高功率密度方面的潛在優勢；4）非晶材料飽和磁化值相對普通硅鋼材料略低。

4.2 ?非晶電機設計

湘電萊特搭建了基于ANSOFT的盤式非晶電機研發平臺，利用軟件最新版本V15推出的軸向磁場電機3D 建模與仿真能力對盤式非晶電機進行電磁計算和有限元分析。湘電萊特利用該平臺已經開發了系列的非晶盤式永磁同步電機產品，圖3圖4為該公司電機的建模及有限元分析示意圖。

圖3 ?非晶盤式電機全模型? ? ? ? ? ? ? ? ? ??圖4 ?非晶盤式電機磁密

圖5是湘電萊特設計的軸向磁場盤式永磁電機典型結構，結構上充分考慮了非晶材料的加工工藝要求，鐵心采用開口槽結構。鐵心制作相對容易。采用少槽結構，集中繞組成型線圈，用以減小線圈端部，也減少了有效材料電阻引起的損耗。這種結構在繞組制作及其下線中，易于實現自動化生產，以高質量、大批量的生產需求。提高產品生產的機械化程度，從而提高產品的質量。

這種結構的特點：

1）軸向氣隙結構使得電機容易實現多級結構，從而實現電機的高頻化；

2）定子的形狀相對簡單，成形更為容易，質量可以得到有效保證；

3）電機繞組采用1/2分數槽結構，電機定子每個齒上安放一個線圈，有效的減小了線圈增部，也有效的減少了銅損；