電機中的軟磁材料的現(xiàn)狀和趨勢

當(dāng)漢斯·克里斯蒂安·厄斯特（HansChristianErsted）在1820年證明電流在磁性材料上引起機械力時，邁克爾·法拉第（MichaelFaraday）于1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)，從而開始了電氣機械和電機的*初開發(fā)*臺產(chǎn)生扭矩的機器使用的是簡單的鐵芯。沃納·西門子（WernerSiemens）于1856年制造了*臺帶有雙T型電樞和槽形繞組的發(fā)電機。在1870年代初，經(jīng)常使用鐵絲來克服由實心鐵零件帶來的渦流損耗問題。1873年，奧古斯特·佩勒（AugustePeller）提議將鐵芯細分為電氣絕緣的鐵片，但直到1880年托馬斯·愛迪生（ThomasEdison）實驗室生產(chǎn)出疊層鐵芯之前，似乎沒有人追求層壓鐵芯的制造。迄今為止，層壓板的使用一直是制造電機鐵芯的*常用方法。

在隨后的幾年中，研究和開發(fā)不僅集中在電機制造上，而且許多軟電磁鋼的性能開發(fā)和分析也迅速進行。在1880年代和1890年代，人們研究了不同的合金，例如硅鐵（SiFe）和鎳鐵（NiFe）。從1890年至今，硅鐵合金仍然是工業(yè)電機層壓鐵芯的明確選擇，并且正在進行深入的研究以進一步改善典型的磁特性。除了改進硅鐵合金外，還廣泛研究了其他材料以創(chuàng)建新的機械設(shè)計。在過去的幾十年中，非晶態(tài)和納米晶態(tài)材料以及軟磁復(fù)合材料（SMC）已廣泛用于電機應(yīng)用。近年來，增材制造的新研究（也稱為3D打印）作為一種將粉末狀材料直接用于未來機器應(yīng)用的磁芯構(gòu)造中的方法。

對于電機應(yīng)用，無方向性硅鐵（NOSiFe）是迄今為止*常見的材料，全世界每年的產(chǎn)量約為一千萬噸，占整個軟磁材料市場的80％。鐵氧體，粉末，非晶態(tài)，NiFe和CoFe的年總產(chǎn)量約為50萬噸。磁性材料的種類不斷增加，包括新的成分，材料加工和提供的形式，這使得電機設(shè)計人員難以為新的電機設(shè)計選擇*佳材料，這意味著（迭代）材料選擇將成為未來機器開發(fā)過程中非常重要的一部分。典型的材料參數(shù)已被考慮在內(nèi)在機器設(shè)計過程中，包括磁飽和度、矯頑力、磁導(dǎo)率、鐵損（磁損）、磁致伸縮（噪聲）、交貨（，完全加工，半加工）、市場可用性（材料供應(yīng)，包括地緣政治問題）、價格。

電機的功率密度主要取決于所用材料的磁飽和度。對于較大的磁飽和值，需要較少的材料來引導(dǎo)電機磁芯內(nèi)部的磁通量并實現(xiàn)相同的輸出功率。磁性材料的矯頑力決定了材料的磁滯行為，從而決定了在機器中產(chǎn)生所需磁通量所需的磁場強度。因此，這與磁滯損耗和所需的電機繞組（通常以安培/匝為單位）有關(guān)。

除了磁值外，材料的鐵損是機器設(shè)計中的關(guān)鍵因素，較低的鐵損不僅提高了機器效率，還降低了機器所需的散熱和冷卻系統(tǒng)。鐵損的主要因素是磁化強度變化引起的磁滯損耗，以及導(dǎo)電磁性材料中感應(yīng)電壓引起的渦流損耗。磁滯損耗隨頻率和機器速度線性增加，而渦流損耗隨頻率和機器速度成平方增加。

結(jié)論

在很大程度上取決于化學(xué)材料的成分，因此可以通過更改或添加不同的合金材料來控制。具有低飽和磁化強度的材料也趨向于具有較低的磁致伸縮性（例如鈷基非晶材料和80％的鎳鐵）。為了充分利用軟磁材料的磁性能和機械特性，通常在電機鐵心組裝過程之前或之后進行退火工藝。如果在涂覆過程之后進行退火，則通常使用無機涂層來承受較高的退火溫，軟磁復(fù)合材料通常不會退火，因為高溫會破壞鐵顆粒之間的絕緣。