電機(jī)作為第二次工業(yè)革命的核心動(dòng)力設(shè)備，在全球電量消耗中占據(jù)半壁江山，尤其在工業(yè)用電中占比高達(dá)70%。然而，電機(jī)在高頻運(yùn)行下會(huì)導(dǎo)致鐵損劇增和效率下降，傳統(tǒng)硅鋼材料定子因此面臨挑戰(zhàn)。非晶合金，也稱為金屬玻璃，因其原子排列無(wú)序、各向同性和優(yōu)異的軟磁性能，成為替代硅鋼的新選擇。鐵基非晶合金相較于硅鋼，展現(xiàn)出高磁導(dǎo)率、低矯頑力、高電阻率及低損耗等優(yōu)勢(shì)，尤其在高速電機(jī)中可大幅降低鐵損。盡管非晶合金潛力巨大，但在電機(jī)應(yīng)用中仍面臨飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低、材料薄硬脆、加工難度大以及磁性能對(duì)應(yīng)力敏感等技術(shù)難題。
非晶帶材雖具有優(yōu)良的軟磁性能，但加工成定子鐵心后性能會(huì)受到影響。因此，合適的加工工藝對(duì)非晶定子鐵心至關(guān)重要。
退火處理是關(guān)鍵步驟，旨在去除帶材中的內(nèi)應(yīng)力以獲得更好的軟磁性能。等溫退火是一種廣泛應(yīng)用的方法，但其對(duì)非晶帶材軟磁性能的提升有限。磁場(chǎng)退火通過(guò)在退火過(guò)程中施加磁場(chǎng)來(lái)提升非晶合金的軟磁性能，縱磁場(chǎng)退火和橫磁場(chǎng)退火都能降低非晶帶材損耗，增加飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度?？焖偻嘶鸺夹g(shù)在釋放應(yīng)力的同時(shí)保留帶材的韌性，對(duì)非晶帶材的脆性影響較小。
浸膠固化是非晶電機(jī)定子制造過(guò)程中重要的一環(huán)，它既保證非晶鐵心的強(qiáng)度，也引入較大的應(yīng)力。環(huán)氧樹脂因其優(yōu)良的粘結(jié)性能、低收縮率、穩(wěn)定性和絕緣性能而被廣泛使用。但環(huán)氧樹脂固化非晶鐵心時(shí)存在問(wèn)題，如磁致伸縮系數(shù)較大導(dǎo)致的應(yīng)力增加和粘度較高導(dǎo)致的浸潤(rùn)不足。研究人員對(duì)環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能、熱學(xué)性能和粘度進(jìn)行研究，并開(kāi)發(fā)出適用的環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑。低黏度的環(huán)氧樹脂的開(kāi)發(fā)對(duì)非晶鐵心的固化非常重要。
機(jī)械加工包括銑削、鉆削、沖壓等，常用于金屬的加工。非晶合金的力學(xué)性能提高給加工帶來(lái)了困難，如刀具磨損、加工溫度高材料易晶化，以及應(yīng)變硬化對(duì)磁性能的影響。模具沖壓成型可以解決加工過(guò)程中材料晶化的問(wèn)題。電火花線切割適合加工非晶合金，具有成本低、可切割尺寸大等優(yōu)點(diǎn)。非晶合金的電火花加工效率相對(duì)較低，但電火花線切割加工是加工非晶合金最廣泛的方法。未來(lái)研究將集中在提高加工效率和加工精度上。
非晶電機(jī)的最新研究進(jìn)展顯示，日本日立金屬、美國(guó)通用電氣、德國(guó)VAC等企業(yè)在非晶電機(jī)的研發(fā)、制造和應(yīng)用方面具有較高水平。他們積極進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品升級(jí)，推出更高效、更可靠的非晶電機(jī)產(chǎn)品。日本學(xué)者Enomoto等使用高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的鐵基納米晶帶材代替非晶帶材，研發(fā)出的新型電機(jī)效率可達(dá)98.3%，比IE5非晶電機(jī)的效率提升約2%。英國(guó)學(xué)者Ismagilov等通過(guò)模塊化非晶定子拼接的方法研制出一臺(tái)高速永磁航空電機(jī)。德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院Jing等設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)內(nèi)置式轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)，其轉(zhuǎn)子由非晶合金制成，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)125000r/min。瑞典學(xué)者Thorsson等通過(guò)激光熔覆FeSiCrBC非晶粉末以增材制造的方式生產(chǎn)出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非晶轉(zhuǎn)子。
國(guó)內(nèi)的非晶電機(jī)行業(yè)起步較晚，但在前人的努力下，發(fā)展水平與國(guó)際水平差距不大。國(guó)內(nèi)鋼鐵研究總院率先對(duì)非晶材料的力學(xué)特性、物理特性、化學(xué)特性和加工工藝進(jìn)行了研究。安泰科技有限公司、青島云路先進(jìn)材料技術(shù)股份有限公司以及沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)等單位對(duì)非晶鐵心的加工及性能進(jìn)行了大量研究并取得一定成果。安泰科技有限公司李山紅等將鐵基非晶、納米晶合金沖片成預(yù)定形狀，在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砗蠼z固化成定子鐵心，并與相同尺寸的硅鋼鐵心損耗進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)非晶、納米晶鐵心相較于硅鋼鐵心損耗顯著降低。青島云路先進(jìn)材料技術(shù)股份有限公司提出一種非晶鐵心新型沖壓設(shè)備及工藝，降低了非晶帶材的沖切力。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)對(duì)非晶電機(jī)損耗展開(kāi)了大量的研究，提出損耗因子修正模型，分析了電機(jī)結(jié)構(gòu)和加工工藝對(duì)鐵心損耗的影響。
圖4 非晶電機(jī)鐵心沖壓設(shè)備示意圖
綜上所述，非晶合金在電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用正逐步克服技術(shù)難題，展現(xiàn)出巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。隨著技術(shù)的不斷突破，非晶合金有望為電機(jī)效率提升和節(jié)能減排貢獻(xiàn)更大力量。來(lái)源：節(jié)選自《非晶電機(jī)定子鐵心的制備工藝及最新研究進(jìn)展》
非晶帶材雖具有優(yōu)良的軟磁性能，但加工成定子鐵心后性能會(huì)受到影響。因此，合適的加工工藝對(duì)非晶定子鐵心至關(guān)重要。
退火處理是關(guān)鍵步驟，旨在去除帶材中的內(nèi)應(yīng)力以獲得更好的軟磁性能。等溫退火是一種廣泛應(yīng)用的方法，但其對(duì)非晶帶材軟磁性能的提升有限。磁場(chǎng)退火通過(guò)在退火過(guò)程中施加磁場(chǎng)來(lái)提升非晶合金的軟磁性能，縱磁場(chǎng)退火和橫磁場(chǎng)退火都能降低非晶帶材損耗，增加飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度?？焖偻嘶鸺夹g(shù)在釋放應(yīng)力的同時(shí)保留帶材的韌性，對(duì)非晶帶材的脆性影響較小。
浸膠固化是非晶電機(jī)定子制造過(guò)程中重要的一環(huán)，它既保證非晶鐵心的強(qiáng)度，也引入較大的應(yīng)力。環(huán)氧樹脂因其優(yōu)良的粘結(jié)性能、低收縮率、穩(wěn)定性和絕緣性能而被廣泛使用。但環(huán)氧樹脂固化非晶鐵心時(shí)存在問(wèn)題，如磁致伸縮系數(shù)較大導(dǎo)致的應(yīng)力增加和粘度較高導(dǎo)致的浸潤(rùn)不足。研究人員對(duì)環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能、熱學(xué)性能和粘度進(jìn)行研究，并開(kāi)發(fā)出適用的環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑。低黏度的環(huán)氧樹脂的開(kāi)發(fā)對(duì)非晶鐵心的固化非常重要。
機(jī)械加工包括銑削、鉆削、沖壓等，常用于金屬的加工。非晶合金的力學(xué)性能提高給加工帶來(lái)了困難，如刀具磨損、加工溫度高材料易晶化，以及應(yīng)變硬化對(duì)磁性能的影響。模具沖壓成型可以解決加工過(guò)程中材料晶化的問(wèn)題。電火花線切割適合加工非晶合金，具有成本低、可切割尺寸大等優(yōu)點(diǎn)。非晶合金的電火花加工效率相對(duì)較低，但電火花線切割加工是加工非晶合金最廣泛的方法。未來(lái)研究將集中在提高加工效率和加工精度上。
非晶電機(jī)的最新研究進(jìn)展顯示，日本日立金屬、美國(guó)通用電氣、德國(guó)VAC等企業(yè)在非晶電機(jī)的研發(fā)、制造和應(yīng)用方面具有較高水平。他們積極進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品升級(jí)，推出更高效、更可靠的非晶電機(jī)產(chǎn)品。日本學(xué)者Enomoto等使用高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的鐵基納米晶帶材代替非晶帶材，研發(fā)出的新型電機(jī)效率可達(dá)98.3%，比IE5非晶電機(jī)的效率提升約2%。英國(guó)學(xué)者Ismagilov等通過(guò)模塊化非晶定子拼接的方法研制出一臺(tái)高速永磁航空電機(jī)。德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院Jing等設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)內(nèi)置式轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)，其轉(zhuǎn)子由非晶合金制成，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)125000r/min。瑞典學(xué)者Thorsson等通過(guò)激光熔覆FeSiCrBC非晶粉末以增材制造的方式生產(chǎn)出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非晶轉(zhuǎn)子。
國(guó)內(nèi)的非晶電機(jī)行業(yè)起步較晚，但在前人的努力下，發(fā)展水平與國(guó)際水平差距不大。國(guó)內(nèi)鋼鐵研究總院率先對(duì)非晶材料的力學(xué)特性、物理特性、化學(xué)特性和加工工藝進(jìn)行了研究。安泰科技有限公司、青島云路先進(jìn)材料技術(shù)股份有限公司以及沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)等單位對(duì)非晶鐵心的加工及性能進(jìn)行了大量研究并取得一定成果。安泰科技有限公司李山紅等將鐵基非晶、納米晶合金沖片成預(yù)定形狀，在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砗蠼z固化成定子鐵心，并與相同尺寸的硅鋼鐵心損耗進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)非晶、納米晶鐵心相較于硅鋼鐵心損耗顯著降低。青島云路先進(jìn)材料技術(shù)股份有限公司提出一種非晶鐵心新型沖壓設(shè)備及工藝，降低了非晶帶材的沖切力。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)對(duì)非晶電機(jī)損耗展開(kāi)了大量的研究，提出損耗因子修正模型，分析了電機(jī)結(jié)構(gòu)和加工工藝對(duì)鐵心損耗的影響。
圖4 非晶電機(jī)鐵心沖壓設(shè)備示意圖
綜上所述，非晶合金在電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用正逐步克服技術(shù)難題，展現(xiàn)出巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。隨著技術(shù)的不斷突破，非晶合金有望為電機(jī)效率提升和節(jié)能減排貢獻(xiàn)更大力量。來(lái)源：節(jié)選自《非晶電機(jī)定子鐵心的制備工藝及最新研究進(jìn)展》
