•     迄今为止，无取向SiFe仍然是电机铁芯应用最常见的材料。全球年产量约为一千万吨，占整个软磁材料市场的80％。铁氧体，粉末，非晶态，NiFe和钴铁（CoFe）的全球年产量合计约为50万吨。同时，随着磁性材料的组成成分，材料加工和供应形式等的不断增加，给电机设计人员为新的电机设计选择最佳材料也带来了新的挑战。这意味着，如何根据客户的需求选择材料将成为未来电机开发过程中非常重要的一部分。在电机的设计过程中要考虑的典型材料参数有：1）磁饱和；2）矫顽力；3）磁导率；4）铁损（磁损）；5）磁致伸缩（噪声）；6）交付；7）市场供应情况；8）价格。

• 图1 典型软磁材料的磁饱和磁通密度与磁矫顽力的关系

•     电机的功率密度主要取决于所用材料的磁饱和度。对于较大的磁饱和值，需要较少的材料来引导电机铁芯内部的磁通量，并达到相同的输出功率。磁性材料的矫顽力决定了材料的磁滞特性，从而决定了在电机中产生所需磁通量所需的磁场强度。图1对电机中使用最常见的软磁材料的磁场强度和矫顽力的磁特性进行了总体描述。基于磁性材料数据库除了磁性值，材料的铁损也是电机设计中的关键因素。较低的铁损不仅能够提高电机效率，还减少了电机必要的散热和冷却系统。

• 图2 B=1T, 50Hz时的铁损

• 图3 B=1T, 400Hz时的铁损

•      铁损的主要因素是由于磁化强度变化引起的磁滞损耗，以及导电磁性材料中感应电压引起的涡流损耗。而磁滞损耗随频率的增加而线性增加，从而使电机的损耗增加；涡流损耗随频率的平方增加，从而使电机的损耗增加。在B=1T、工作频率在50Hz和400 Hz下的铁损范围分别如图2和图3。

•      磁性材料的磁致伸缩与其磁晶各向异性有关，它会影响电机的振动，并会产生明显的噪声。因此，具有大的磁致伸缩特性的合金（例如某些CoFe和铁基非晶材料）在用于电机时会产生有害的噪声和振动效应。磁致伸缩在很大程度上取决于化学材料的成分，因此可以通过更改或添加不同的合金材料来控制。具有低饱和磁化强度的材料也倾向于具有较低的磁致伸缩性（例如，钴基非晶材料和80％NiFe）。

•      为了充分利用软磁材料的磁性能和机械特性，通常在电机铁芯组装过程之前或之后进行退火过程。图4给出了所选软磁材料的典型退火以及居里温度。如果在涂层工艺之后进行退火，则通常使用无机涂层来承受较高的退火温度。应该注意的是，SMC材料通常不进行退火处理，因为高温会破坏铁颗粒之间的绝缘。

• 图4 所选软磁材料的典型退火和居里温度

•     用于电机的典型铁芯材料是厚度为0.2mm到1mm的冲片，其中铁元素是材料成分中的主要元素。为了调节磁性能和机械特性，层压的磁性材料通常是合金成分，包含铁，硅，铝，镍，钴，钒和其他金属。下面简要介绍电机应用中常用的材料。

A.冷轧电机冲片（CRML）钢
•     CRML钢是非常低碳的钢，碳含量约为0.06％或更少。这些钢具有非常好的饱和磁通密度和磁导率特性。传统上，它们被认为具有最差的磁芯损耗特性，尽管仔细研究目前公认的标准可以发现，许多当代牌号的CRML钢表现出与无取向硅钢相当的损耗特性。那些没有大量合金元素和磨料绝缘涂层的牌号可以帮助延长模具寿命，从而进一步节省制造成本。这些钢通常在出厂前没有经过最终退火的情况下交付，并且通常在冲片制造后分批退火，并且可能会接受绝缘氧化物涂层或其他涂层。

B.硅铁（SiFe）

•     电机中使用最广泛的材料是铁与一定量的硅组成的合金。它可以以晶粒取向状态（即材料是各向异性的，并且在不同方向上具有不同的磁导率）或非取向状态（即在所有方向上几乎都是各向同性的磁性）提供。

•     变压器通常使用晶粒取向的磁性材料，这是因为它们在铁芯的芯柱和轭部中会发生单向磁通变化。相反，旋转电机主要使用非定向材料，因为通量方向通常不是单向的，而是改变方向（它在定子磁部和定子齿尖中旋转）。在大型电机中，定子由多个轭部零件构成，或者在研究新电机制造技术和拓扑的研究项目中，也会使用面向晶粒的SiFe材料。但是，目前绝大多数电机是由无取向的SiFe制造的。无取向SiFe钢是硅含量约为1％至3％以上的冷轧碳钢，经过加工可提供纵向和横向的均匀磁性能。这种钢的其他合金还有铝（Al）（最高1％）和锰（Mn）（最高0.5％）。添加硅元素能够使铁在机械上变硬并增加了电阻率。缺点是饱和磁化强度略有下降，并且磁导率较小。铝对电阻率具有类似的增加作用，但也会降低材料的磁导率。较高的锰含量导致较大的晶粒，因此具有较高的磁导率，但也会增加损耗。

•     对于旋转机械，无取向硅钢可以为所有关键属性提供良好的数值。由于硅含量适中，因此可以延长工具寿命并简化加工过程。无取向硅钢可在“完全加工”和“半加工”条件下使用。交货前，完全加工的钢材已在钢厂进行了最终退火和涂层处理。这些可能需要二次“去应力退火”以在冲压后恢复其磁性能。半成品钢尚未在钢厂进行完全退火或涂层处理，并且在层压板冲压后需要进行最终退火，通常称为“客户退火”。这个最终退火周期也用于开发绝缘的表面氧化层。每种情况都有其卖点。完全加工的钢可以提供各种不同的绝缘涂层，并且可以提供多种等级和性能的选择。半加工材料比全加工钢便宜一些。尽管可供选择的牌号较少，但在冲压后退火周期中，他们的磁性能可稍加处理，可以提供一系列特性。

 •     目前SiFe钢的发展趋势主要集中在降低铁损上，由于电机速度的提高和驱动系统的时间谐波的增加，强调了更高的基频。电机对冲片的性能要求也日益高起来，具体的趋势可以总结如下：

    1）高硅含量的非取向SiFE：开发了高硅含量的冲片是为了增加材料的电阻率，从而增加涡流损耗。目前，在这些冲片中硅含量高达6.5％。但是，除了降低高SiFe材料中的最大磁通密度和磁导率外，另一个缺点是硅含量使合金更加脆硬，从而导致更复杂，更昂贵的制造工艺和工具成本。为了实现高硅含量，基本上有两种常用技术。

    在可用的工业过程中，可以通过JFE Steel开发的两步过程来实现。首先，常规的3％SiFe是通过典型的冷轧工艺生产的，然后再通过化学气相沉积工艺进行掺杂，以增加第二步的硅含量。硅含量的分布既可以在材料中均匀分布，也可以仅在冲片表面上具有较高的硅含量，而在中间位置具有较低的硅含量。但是，必须注意的是，这种工艺需要耗费大量的能源，因此大大增加了材料制造的成本。增加无取向钢中Si含量（以及Al含量）的另一种方法是扩散退火。在此过程中，将最终含3％Si的冷轧钢浸入熔融的Al-Si浴中。然后进行扩散处理和退火处理，以改变钢的合金结构以及Si和Al的含量。但是，这种扩散也会改变材料的微观结构，从而影响磁性和机械性能。

    2）薄规格无取向SiFe：减少无取向SiFe钢涡流损耗的另一趋势是厚度减小。趋势发展到2％至3％的SiFe冲片，厚度为0.1-0.3毫米，通常用薄规格电工钢来描述。

• 表1 薄硅钢的国际标准

•     薄规格电工钢不是新材料，在过去七十五年时间里，许多钢铁生产商一直在生产薄规格电工钢。但是近年来，高性能电动机和发电机对效率的要求不断提高，将这类冲片材料可以提供的优势带到了最前沿。虽然在制造这些钢材和用它们制成的冲片方面面临着重要的挑战，但当它们在远高于典型的50Hz或60Hz频率下工作时，确实表现出明显的低电损耗。

•     这类材料历来没有公认的标准，每个制造商都会制定自己的一套规格和商品名称。然而，随着人们对薄规格硅钢使用兴趣的不断增加，以及终端用户寻求一套共同的材料特性，并以此为基础开始设计，国际标准组织已经开始提供有关这些材料的综合规范。1991年IEC（国际电工委员会）发布了标准60404-8-8，并在2013年ASTM International发布了规范A1086-13。尽管这些标准中还包含其他重要标准，但总铁芯损耗是每个标准中的核心限定参数。表1列出了每种标准中的损耗标准和厚度范围。

•     标准会随着时间的推移而变化，标准组织也会对这些材料的制造和使用方面的进步做出反应，因此必须注意，IEC的技术委员会TC 68已启动了IEC 60404-8-8的更新。虽然修订标准的具体细节仍在审核中，但目标是在2016年底之前发布更新的标准。其中对6.5％SiFe材料进行了广泛研究，并对薄规格无取向SiF冲片（0.12毫米）做了比较。

C.钴铁（CoFe）

•     CoFe由于钴含量高，通常是最昂贵的合金。如果与铁合金化，钴在室温下会达到所有材料的最高最大饱和磁化强度（对于35％的Co和65％的Fe合金，B=2.43 T）。通常Co含量在15％至49％之间，并且一般都包括约2％的钒。

•     CoFe冲片的使用仅限于在最小的体积中需要最大输出量的那些电动机和发电机，其中机器性能与重量的关系非常重要，足以克服成本问题。这些钢的典型应用包括机载电动机和发电系统，油田（“井下”）电动机和发电机以及赛车运动应用中的专用电动和混合动力系统。CoFe钢具有普通冲片钢的最高强度，因此可用于某些高速转子铁芯，例如磁性轴承，飞轮储能系统和以高转速运行的发电系统等。钴铁合金的退火周期可以结构化地提高成品层压板的磁性或机械特性。利用CoFe合金的退火周期可以增强最终冲片的的磁性能或机械特性。然而，新开发的牌号可以在全加工状态下交付，即用专门的涂层进行退火，为消除标准的后切退火和氧化涂层工艺提供了可能性。

•     钴含量为15％到30％的合金的饱和磁通密度比49％的CoFe合金略低，但在寻求降低总体成本，同时保留钴合金固有的一些性能优势的机器设计者中重新受到关注。材料的机械强度与较低的铁损耗和较大的磁导率可以通过改变材料中钴和铁含量之间的比例，通过额外的铌合金化材料，或通过改变退火过程中的温度周期进行控制。典型的退火温度范围是750–950℃。较低的退火温度有利于改善材料的机械性能，而较高的温度则导致较大的晶粒尺寸，从而改善了磁性。

D.镍铁（NiFe）

•     如果铁损是关键因素（例如，对于小型高速机），则NiFe冲片是一个不错的选择。最大的优势是它们极低的矫顽磁力，与CoFe和SiFe材料相比，它具有更高的相对磁导率μr。但是，缺点是饱和度低且最大通量密度小。用于电机的典型NiFe冲片的镍含量为40％至50％，其中较高的镍含量通常会导致较大的磁导率。但是，电导率以及由此产生的涡流损耗也随着镍含量的增加而增加。为了充分发挥先进的磁性能，NiFe合金需要在非常高的温度（通常> 1100℃）下进行退火工艺，并引入表面氧化物层以开发其最佳磁性能。

• 图5 初始磁化曲线——0.35mm厚的CoFe和NiFe合金

•     随着对电机应用和特殊功能需求的增加，越来越多的非传统材料进入到专用电机的设计中。这些材料包括非晶态合金，纳米晶合金和铁基粉末或SMC粉末。通常情况下，这些材料的磁化、磁导率和损耗曲线，在按照公认的标准进行测试时，可能无法与传统钢合金的性能相比较。这就使得很难将它们与上述中介绍的传统电机冲片进行比较。因此，对这些材料的描述只能是是定性多于定量，以突出电机的一般特性以及优缺点。

A.非晶态和纳米晶材料

•     非晶磁性材料（也称金属玻璃）由于其极薄的箔片结构（典型厚度为0.025毫米）和较低的制造工艺成本，具有极低的铁损优势。非晶材料通常通过熔融纺丝生产，而不是典型的热轧和冷轧程序来形成钢板。在这种单步工艺中，将熔融的合金成分滴在一个快速旋转的内冷轮上，其温度是可控的。当熔融的合金接触到冷轮表面时，通过快速冷却过程（高达10x106 ℃/s）实现了材料的非晶态。这种淬火过程将铁分子快速固定在适当的位置，从而导致非晶态结构。非晶态结构还具有更高的电阻率，约为典型的非取向SiFe钢的三倍。非晶材料的厚度和宽度受到制造过程中固有的重要冶金条件的限制。

•     电机应用钟的非晶材料的一般成分是铁，硅和硼，其中硼在非晶带的材料成本中占了很大一部分。非晶材料的典型应用领域是电子设备和传感器。然而，如今铁基非晶材料已经在美国和日本的高级配电变压器中得到了广泛的应用，变压器的铁芯是由缠绕成矩形的非晶材料构成芯柱和铁轭。用非晶材料制造的机芯，由于其板厚非常小，一般不会像一般钢板层压那样堆叠。新的研究集中在新的磁芯几何结构上，将非晶材料作为预制的堆叠和环，就像变压器磁芯一样。对于切割，通常建议采用水射流技术或剪切技术，以避免因诱导热而导致材料的局部再结晶。芯材组装过程中的热积聚同样是人们非常关注的问题，环氧树脂体系是芯材组装的首选方法

图7 非晶和纳米晶材料的初始磁导率与磁饱和度

•     对于非晶态材料，磁场内部的退火不是强制性的，但这样做是为了获得最佳的磁性能和所需的各向异性方向。然而，退火过程使片材在机械上更脆，因此在后面的制造过程中会更难以处理。非晶态SiFeB材料的居里温度通常为350–390℃。纳米晶合金的特点是微观结构的晶粒非常小，一般小于50nm。从应用角度来看，纳米晶材料可以被认为是非晶态合金的发展，它们具有许多共同的特性，例如可以通过生产技术和几种关键技术以调整磁性和机械性能。然而，由于冶金工艺的精确控制，纳米晶合金表现出与CoFe非晶合金相当的优异软磁材料性能，但在较高的饱和极化度下（在1.2T以上），表现出优异的软磁材料性能。

图8 一个电机装置25年的寿命周期成本

B.软磁复合材料（SMC）

•     SMCs由极小的孤立铁颗粒的粉末组成。它们并不是新的，但却非传统的，因为用这种材料制造的机器零件不是以堆叠的层压板的形式生产，而是直接压制到单件或多件机器的核心上。粉末的优点是可以实现特殊机器几何形状的三维磁通路径。

•     然而，任意的几何形状受到压制工艺能力的限制，无法在制造的零件中达到均匀的压力并获得所制造零件的密度。SMC材料的机械强度一般低于层压磁性材料。从电磁角度来看，SMC材料具有很高的电阻率。这就导致了低涡流损耗，这在高频应用中是一个显著的优势（如高于1000 Hz）。缺点是其相对较低的磁导率和平坦的BH磁化曲线，导致在典型磁场强度下的最大磁通密度值相对较小。

•     毫无疑问，未来在工业应用中使用的电机的重点是能耗。如图8所示，这通常占电动机生命周期成本的90％以上，对于新的电动机和驱动器安装，其预期寿命为25年。运输领域中使用的电机，其能量存储受到限制，对效率的要求不断提高，损耗最小化将会是电机开发的重点。在用于电机的新型磁性材料方面，除铜损外，铁损也受到了广泛关注。

•     电机应用的另一个主要趋势是减少电机的体积，因为体积和重量是许多行业的关键因素，包括风力发电、交通运输和船舶行业等。在下面的章节中，介绍了电机相关的应用，以及在效率和功率密度方面提高机器性能的趋势和需求等内容。

A.非晶磁性材料的电机

•     处理非常薄的非晶层压板的挑战使得用这些材料创造复杂的机器几何形状变得很困难。因此，这种材料最好用于具有简单定子铁芯几何形状的电机，如无槽铁芯或双转子轴向磁通电机。

•     有一种小型的四极传统感应电机，其定子铁芯由非晶材料制成，转子铁芯为标准的SiFe冲片。通过在定子铁芯中使用非晶态材料，可以显着降低铁的总损耗。因此使用非晶定子铁芯时，大部分损耗都出现在电机的转子中。

B.SMC的电机

•     SMC在电机中的主要优势是可以拥有复杂的3-D形状来引导磁通。这样的机器拓扑结构可能会使传统径向磁通机中的定子端绕组得到更有效的利用，减少磁通泄漏和齿尖饱和效应，或者在定子铁芯中具有3-D磁通路径的特殊电机设计。这包括横向磁通机和爪极电机。

•     SMC材料的另一个优点是具有非常高的电阻率，使其成为轴向磁通电动机的有益材料，其中轴向磁通量会在典型的磁电机冲片中产生明显的涡流损耗。此外，SMC材料可用于使用铁氧体磁体代替更昂贵的稀土磁性材料的永磁轴向磁通电动机中，使其气隙磁通容易集中。

•  爪极发电机和电动机由于其简单且便宜的绕组和爪极结构，对于高功率密度非常有吸引力。但是，爪极复杂的几何结构使其很难使用层压磁性材料。取而代之的是，通常将实心钢用于爪极转子。由于在实心爪极中产生明显的涡流损耗，因此将这种电机拓扑的使用限制为低速和小几何形状范围内。此时SMC材料可能是减少涡流损耗的合适解决方案。

•  最后，SMC材料还被研究用于模块化定子铁芯的分数槽集中绕组，其中每个齿都是通过SMC成型单独制造，之后再镶嵌在一起成为一个完整的定子铁芯。这种概念要么用于径向磁通机，通常具有外转子拓扑结构，要么用于轴向磁通机拓扑结构。

C.晶粒取向SiFe的电机

•     有几个项目已经研究了双转子轴向磁通电机中晶粒取向的SiFe冲片，本文对这种电机类型的晶粒取向和非取向SiFe进行了研究。另外还提出了另一个使用晶粒取向SiFe的概念，即“各向异性电动机”，其中，定子齿和磁轭被分成几部分，并以类似于变压器铁芯中的堆叠接头的方式进行堆叠。通过沿轴向堆叠方向将冲片板移动60°和90°，可以研究晶粒取向材料的标准堆叠。然而，在这次比较中，与无取向材料相比，似乎只是由于选择的冲片厚度较薄，所以晶粒取向材料的性能更好。

•     本文介绍了目前和未来高度关注的软磁材料领域在电机中的应用。随着材料选择范围的不断扩大，电机设计者有必要详细研究最佳性能组合的材料，无论是电磁性能还是机械性能，以及可能影响非性能参数的成本和可用性限制，如上市时间或在不同地理区域制造的成本。此外，众所周知电机的终极目标是提高效率和功率输出。因此，电机设计者和制造商与材料生产商进行沟通和合作，以找到能够实现这些新的重要技术的新材料也是至关重要的。最后，电机研习社也是一个开放包容共享的平台，如果您有想法或者有关的新产品、新思路，就像文章开头一样，我们会给您无限的可能性。