叶 东
中车永济电机有限公司 山西 永济 044500
摘要： 电机作为国民生产中主要的动力源在生产生活中占有重要的地位，其效率的大小一直备受关注。随着电机技术的日趋成熟，想提高电机效率变得越来越困难。非晶合金是一种新型功能材料，它具有高饱和磁感应强度、低损耗及低矫顽力等优点，目前已经广泛应用于变压器中并取得很好的效果。如果把非晶合金应用于电机定子铁心能降低定子铁耗从而提高电机的效率。
本文浅析一台应用于电动汽车的永磁同步电机定子铁心采用非晶材料时电机的性能。
关键词： 非晶合金 永磁同步电机 电机性能
1.1研究背景
随着全球能源危机加重，如何降低能源消耗，提升能源使用效率已经成为各国关注的焦点。世界许多国家推行电动汽车，因此电动汽车用永磁同步电机的效率就非常关键。然而随着电机制造技术的日益成熟，想要通过优化电机结构来提高效率变得越发困难。非晶材料作为一种新型材料，具有诸多优点，由于其有低损耗的优异特性已经被广泛地应用在变压器上，每年节约大量的能源，带来可观的经济效益。如果能将其成功应用在永磁同步电机上就可以降低电机损耗，提高电机效率，对电动汽车的推行和降低能源消耗带来巨大帮助。
1.2国内外的发展现状
1.2.1电动汽车用永磁同步电机的研究现状
永磁同步电机有众多优点，比如无电刷结构、运行可靠、调速性能好等。由于其没有励磁绕组，因而用永磁同步电机能够做到较小体积，较高的功率密度。使用合理的磁路设计可以提高电机的调速范围，能很好地契合电动汽车使用，永磁同步电机技术已经成为电驱动技术发展的重要研讨方向，随着研究的不断深入，电动汽车用永磁同步电机技术也越来越成熟，它的应用前景也会越来越广阔。
因为永磁同步电机拥有优异的特性，刚一问世就吸引全世界各国关注的目光，并成为研究的热点问题。我国永磁同步电机应用于电动汽车的研究是响应我国新能源汽车研发计划，通过了国家“863”计划。在各个大学的努力研究下已经取得重要成果，目前永磁同步电机已经成功应用于电动轿车、电动公交客车和能量存储装置等。日本成立电动汽车协会，在1996年运用插入式永磁同步电机作为驱动电机。近年日本又推出双层永磁体内置式同步电机，对永磁同步电机进行了性能上的优化。
电动汽车用永磁同步电机主要要求其要拥有较高的功率密度、转矩密度、调速范围宽和良好的控制及过载能力等，以此来提升电动汽车的启动和加速性能，因此开发高功率、高转速、质量轻、体积小的永磁同步电机是必然的发展趋势，也是各国研究永磁同步电机的重点方向[1]。
1.2.2永磁同步电机用于电动汽车的优势
永磁同步电机在设计时主要考虑电机的启动加速能力和较宽的调速能力，这两种性能都能很好地契合了电动汽车各种工况的需要。
永磁同步电机相对于异步电机来说不需要使用励磁电流励磁启动，可以提升电机的功率因数，一定程度上减小定子电流从而减小铜耗；在电机稳定运行时由于是靠永磁体产生磁场，转子上没有铜耗，因此可以大大降低电机不必要的损耗，而且功率因数的提高可以增大有功功率的比重，减小无功功率传递引起的能量损耗和电压降落，从而使得其效率得到提升，电机体积也可以减小。相同规格下，永磁同步电机效率要比异步电机高出2-8个百分点。
相比于异步电机，永磁同步电机的过载能力和启动能力遥遥领先，永磁同步电机的最大启动力矩能到达额定转矩的2至3倍甚至更大，而且电动汽车稳定工况时的负载转矩变化较大，因此，永磁同步电机能更好地适用于电动汽车。
另外，近年非晶合金等高性能永磁材料应用于永磁同步电机的一些研究表明，非晶合金用于永磁同步电机可以降低电机铁心损耗和电机重量，提高电机的功率密度，并且永磁同步电机转子槽形式相对灵活，因此使其更加适应更多的场合[2]。
总的来说，永磁同步电机相对于其他种类的电机从性能和使用范围上来说都更能契合电动汽车的要求，因此永磁同步电机应用于电动汽车会相对有优势。
1.2.3非晶材料的发展及应用现状
非晶合金也叫做金属玻璃或者玻璃金属，它是具备非晶体原子构造的金属合金，是当今世界上一种新兴的高新技术导磁材料[3]。所谓非晶状态就是指进行急冷凝结进程使得金属来不及结晶，原子排列仍然保持着液体状态时金属的长程、无序形态[1]。随着非晶合金的制备技术的不断提高，非晶合金也广泛应用于电力电子、电力系统和民用领域等，比如在电力互感器、变压器和变频家电上的应用等。由于非晶合金的高磁导率、低矫顽力和低损耗特性，在一些领域它正在逐步取代传统硅钢片和铁氧体材料成为一种新型的绿色材料。
非晶合金具备许多优良的性能，例如优良的磁性，耐蚀性，高的机械强度，高电阻率和机电耦合特性等。由于它具有的优良特性、制备工艺简单，如今已经成为国内外材料科学界的研讨开发重点。但是非晶合金材料也存在着不能忽视的缺陷：材料的硬度过高而且极其脆，非常不容易加工和切割；非晶材料的厚度仅为微米级别，材料非常薄；填充系数较传统硅钢片较低；同时它对机械应力也十分敏感，因而对于在加工精度高的场合的应用带来很大的困难。
由于非晶材料随着频率变化铁耗增加不太大的特性，人们试验将其应用于高频领域并且已经取得了良好的效果。例如在变压器上使用非晶材料替代传统的硅钢片可以大幅降低铁耗，从而提升效率，节约能源，还有将非晶电机应用于异步电机也被证明可以大幅度降低电机铁损，提升电机效率。因此，在一些领域使用非晶材料有十分可观的经济前景。
非晶合金在很多领域已经体现出很大的经济效益，非晶电机在一部分异步永磁电机上运用，经过参数调整，证明非晶合金应用于异步永磁电机定子铁心可以降低大大降低电机的铁损并提升电机效率，与此同时，非晶材料在电力电子等方面应用也较为成熟，因而进一步推广非晶材料的应用范围，能较好地解决我国能源使用效率低的问题。从绿色生产的角度来说，推广非晶材料的应用也是大势所趋。
在我国，非晶合金材料的相关研究开始于1976年，在“七五”、“八五”和“九五”期间都取得了重大进展，非晶带材的商场能力大大提升，逐渐追赶上其他国家，跃居世界前列。国内的安泰科技股份有限公司和上海职高非晶金属有限公司目前是国内最具影响力的非晶金属生产商。生产的带材主要应用于中型变压器环形及矩形铁心、铁基非晶带材及电抗器矩形铁心等。我国研究较其他各国起步较晚，但在各个方面的研究都取得了重大进展，随着科研的稳固推进，我国一定能研发出性能良好的非晶材料。
1.3课题展望
非晶材料应用于永磁同步电机虽然可以降低电机损耗和电机重量，但是非晶材料价格较高而且不易于加工以及磁饱和密度低的缺点一直存在，想要在永磁同步电机的应用上推广非晶材料要克服的困难远不止以上，例如本文中提到的非晶电机就存在在低转速大转矩下效率低且效率下降很快的缺点，这是由于在该种情况下非晶电机的线电流要比硅钢电机大得多，过大的电流不仅会带来效率的下降，产生的热量如果得不到及时的散热甚至会给电机带来更大的损坏，因此将非晶合金应用于永磁同步电机不仅仅要考虑两种材料成本和效率的差异，工作状况、制备工艺以及电磁部分设计也应加入到考略的范围。
参考文献
[1] 韩雪岩,佟文明,唐任远.非晶合金在电机中的应用[J].电工电能新技术
[2] 唐任远．现代永磁电机理论与设计方法[M].北京:机械工业出版社
[3] 王立军,张广强,李山红,黄书林,周少雄.铁基非晶合金应用于电机铁芯的优势及前景[J].金属功能材料