1.5 新材料在軸向磁場電機中的應用

由于磁路結構的特殊性，軸向磁場電機存在電樞疊片鐵心制造困難的難題。但隨著新材料的獲得和電機制造工藝的進步，以及對軸向磁場電機結構的深入研究，利用非傳統的電機結構和新材料的結合使用可為軸向磁場電機開辟一個新的領域。例如，采用實體鐵心加工或采用印制的鐵心；采用無鐵心或無鐵心軛的磁路結構；采用粉末型軟磁復合材料直接壓制成型或利用高性能永磁材料和具有良好熱性能/機械性能的塑性材料等。目前，由于成本的原因，具有鐵磁性能的塑性材料很少作為電機的結構件來使用。在前沿領域應用中，如航空領域中的太空飛行站，質量小、高效率、高性能的塑性軸向磁場電機得到了應用。

近年來，軟磁復合材料（SMC）低頻特性的改善使它在電機設計應用中獲得了廣泛的應用。SMC和粉末冶金擠壓加工的獨特優點使復雜結構容易成型。這可以克服傳統的有槽疊片定子鐵心制造中的一些缺陷。在SMC中絕緣的鐵粒可以產生等方性的磁性能。因此，在磁極組件設計中可以獲得三維磁路，為電機設計者提供了新的設計方法。

1.5.1 軟磁復合材料在軸向磁場電機中的應用

1.5.1.1 軟磁復合材料的形成

軟磁復合材料（SMC）由表面蓋有絕緣薄膜的軟磁鐵粉粒壓制而成，如圖1.26所示。它是將具有良好磁性能的高純度鐵粉與樹脂黏合劑混合在一起，經過處理后產生一種具有高密度和高強度且壓縮性極好的物質。加工過程：將鐵粉和潤滑劑混合物進行擠壓，在擠壓過程中，在粉末間產生了應力，這可以通過在足夠高的溫度下，對組合件進行熱處理來釋放。例如，放在空氣中，在2000℃下進行熱處理30min，這樣就可以得到一種低成本、高性能且可直接用于粉末金屬制造技術的軟磁復合材料。為了減少渦流損耗可以在顆粒之間引入絕緣層，絕緣層可以是有機樹脂材料或無機材料，這樣鐵粉粒在電氣上彼此絕緣，確保SMC有一個高的電阻率，因此絕緣層可以有效地降低渦流損耗，但絕緣層的作用像氣隙一樣，因而也降低了磁導率。通常用降低絕緣層厚度、提高SMC密度和進行熱處理消除或減少應力來部分恢復磁導率。

1.5.1.2 軟磁復合材料的特性

圖1.27和圖1.28分別為SMC和硅鋼片磁化曲線對比圖和鐵耗對比圖。從圖1.27中可以看出，SMC在磁密為1T時出現拐點，在1.5T時就已達到飽和，相比之下，硅鋼片材料在磁密為1.5T左右時才剛開始出現拐點，證明了硅鋼片材料的導磁性能較SMC更好。這主要是因為SMC是由絕緣材料包覆鐵磁性粉末后黏結而成的，絕緣層的存在使該材料的磁導率降低了。

從圖1.28中可以看出，在50Hz的頻率下，SMC的鐵耗比硅鋼片材料的鐵耗大，而隨著頻率升高至400Hz時，兩種材料的鐵耗也隨之增大，但其大小逐漸接近。這是因為電機鐵耗主要由磁滯損耗和渦流損耗組成，其中磁滯損耗與電機的頻率成正比，而渦流損耗與頻率的平方成正比，因此當鐵磁材料應用在高頻時，渦流損耗在鐵耗中的占比更大。由于SMC的磁滯損耗系數比硅鋼片材料的大，而其渦流損耗系數卻遠小于硅鋼片材料，所以隨著頻率的升高，SMC的渦流損耗也將遠小于硅鋼片的渦流損耗，其鐵耗大小將逐漸接近硅鋼片材料的鐵耗，甚至將低于硅鋼片材料，由此可知，采用SMC制成的電機的性能也取決于所使用的頻率。另外，從圖1.28中也可以看出，SMC和硅鋼片的鐵耗都與磁通密度成正比關系，隨磁通密度的增大而增大。

總的來說，SMC的磁性能較硅鋼片的磁性能要差些，其磁通密度低于硅鋼片的磁通密度，磁滯損耗大于硅鋼片的磁滯損耗，盡管渦流損耗較硅鋼片的渦流損耗小，但總的鐵耗大于硅鋼片總的鐵耗。SMC的電阻率、機械性能和磁性能取決于鐵粉粒的大小、密度、絕緣層厚度、擠壓過程和熱處理周期，因此可以調節SMC的特性以適合某些應用的特殊要求。

通過上述的對比分析可知，由于特殊的物理結構，SMC的導磁性能較硅鋼片的導磁性能更低，而在低頻狀態下，其鐵耗較硅鋼片的鐵耗更大，因此常規電機在工頻下直接用SMC替代硅鋼片時，電機效率會降低。另外，由于SMC不能進行燒結，所以其機械強度也較低，因此結構強度也將是SMC電機設計過程中必須要重點考慮的問題。由此可見，為了更好地利用SMC的優勢，同時彌補其缺點，SMC-Si鋼組合鐵心的方法是個很好的選擇。另外，由于SMC的磁滯損耗與所使用的頻率成正比，所以SMC的開發旨在生產可在較低頻率下使用的部件，如電機通常在50～60Hz頻率下工作，對于直驅軸向磁場電機而言，其頻率更低，因此SMC特別適合應用于直驅場合，如用作分布式發電領域中的風力發電機、水力發電機，用作驅動的直驅電梯電機等低速領域。

1.5.2 非晶材料在軸向磁場電機中的應用

非晶材料的應用始于20世紀60年代，研究人員在冶煉金屬合金時通過以極快的冷卻速度鑄造的合金，從而抑制了正常金屬晶體的形成，形成了性質不同于一般合金性質的非晶材料。通常非晶材料冷卻速率在106℃/s的范圍內，應用最廣泛的非晶材料是指非晶態軟磁合金，包括鐵基、鐵鈷鎳基、鈷基和鐵鎳基等合金。其中，鐵基非晶合金具有較高的飽和磁通密度、低鐵耗和價格低廉等優點。目前，在高效電機中，定子鐵耗在總損耗中所占的比例較大，而非晶材料的鐵耗約為普通硅鋼片鐵耗的1/10。因此，采用非晶材料可以進一步提高電機的效率。國外已經深入研究了將非晶材料應用于電機的制造，如日立公司生產的2605SA1非晶合金，已經批量應用于軸向磁場電機。國內也有少量公司在研究非晶軸向磁場電機，如北極鷗盤式特種電機深圳有限公司。電機的鐵心使用非晶材料，非晶鐵心的單片厚度為0.02mm，而普通硅鋼片的鐵心單片厚度為0.2mm。相比而言，電機鐵心使用非晶材料可以使電機的鐵耗降低75%，并且溫升低。文獻研究了電動汽車上永磁同步電機鐵心采用硅鋼片和非晶合金的性能比較，對比了非晶合金電機和硅鋼片電機的磁通密度分布和鐵耗分布。結果表明，在高速區的非晶電機比硅鋼片電機具有鐵耗低和效率高的優勢。