1 非晶合金材料特性
近年来，随着全球化石能源的日渐枯竭以及环境污染问题的日益突出，发展新型材料以实现节能减排已成为世界各国的共识。电机作为工农业生产以及日常生活的关键部件，是应用量大、使用面广的耗能动力设备，消耗了全球60%以上的电力能源，降低电机损耗以提高其效率已成为节能减排、实现“双碳”目标的关键手段之一。
非晶合金（AA）作为新型软磁功能材料，具有高磁导率、低损耗的优异电磁性能，将其应用于电机铁心可显著降低铁心损耗，提升电机效率，尤其对于铁心损耗占据主要部分的高频电机，如飞轮储能电机、高速电主轴电机及空气压缩机电机等，优势更加突出。
非晶合金以其优异的低损耗特性在电机领域受到越来越多的关注。对非晶合金电机的研究进展进行梳理，介绍了非晶合金电机相对传统电机的优势，阐述了现阶段非晶合金电机铁心常用的加工工艺以及非晶合金电机的研发应用情况。对非晶合金电机关键技术的研究现状进行总结，包括考虑加工工艺、装配工艺下非晶合金电机铁心损耗与温升的精确计算，径向磁通与轴向磁通非晶合金电机振动噪声的精确计算，非晶合金电机设计优化与前沿应用，并对非晶合金电机未来发展趋势与研究方向进行了展望。
相比于传统硅钢片，非晶合金材料具有薄、硬且退火后较脆的物理特性，对其加工制造较为困难。研究适用于非晶合金电机的铁心拓扑结构与低成本的铁心制造技术至关重要。同时，由于非晶合金材料的电磁性能对外加机械应力具有较高的敏感性，将非晶合金带材制作为非晶合金铁心后，由于加工过程中机械应力等因素的影响，其磁化特性与损耗特性会发生明显恶化，这为非晶合金电机损耗的精确计算以及电机优化设计带来挑战。另外，相比于传统硅钢片铁心，非晶合金铁心的叠压系数较低，导致其铁心刚度较小，加之非晶合金材料的磁致伸缩系数高，导致非晶合金电机振动噪声明显增大，故对非晶合金电机噪声的精确计算与抑制同样至关重要。
非晶合金材料也被称为金属玻璃，通过液态合金的快速凝固获得，其内部原子无序地结合在一起形成非晶态。该材料特殊的内部结构使其具备优良的电磁性能，非晶合金材料的主要优点如下：
1）磁导率高、损耗低。非晶合金没有晶体各向异性，具有高电阻率、高磁导率、低损耗的优点。
2）耐腐蚀、韧性强。非晶合金结构均匀，化学性质稳定，同时还具有优良的韧性与耐磨性。
3）属于环保型材料。非晶合金制作工艺简单，工艺流程短，材料制备过程节约能源。从材料生产制备到实际应用等各环节均具有很好的节能效果。
除上述优点外，非晶合金还有以下劣势：
1）相比于传统硅钢片材料，非晶合金具有饱和磁通密度低、磁致伸缩系数大的特点。
对于径向磁通电机而言，常用的定子铁心加工流程如图1所示。加工时首先将非晶合金带材剪切为方形结构，并将其叠压为具有一定轴向长度的长方体铁心结构；然后对长方体铁心进行退火以及浸漆固化处理；最后对经过退火及浸漆固化后的铁心进行切割（常用切割方式包括线切割与激光切割），得到开槽非晶合金铁心。上述加工工艺中，由于线切割工艺极为耗时，故难以满足批量铁心生产的需要。
2.2 组合加工
非晶合金铁心组合加工工艺也可理解为模块化加工，其加工思路为：分别加工铁心各部件模块，并将其进行组装后得到完整铁心。
对于径向磁通电机，针对整体加工工艺耗时且难以批量生产的问题，日立研究实验室提出将定子齿、轭部通过叠加或卷绕工艺分别加工后，再利用粘贴、燕尾槽固定等进行组装的方法，组装工艺如图4所示。该加工方法较为省时，但会引入附加气隙影响电机性能，同时齿、轭部的连接存在不稳定性。针对以上问题，日本丰田技术研究所提出将非晶合金制作为 C 型或 Ｕ 型结构的铁心模块，通过环氧树脂将各模块进行粘贴得到完整铁心，以提高铁心结构稳定性，C型或 Ｕ 型结构的铁心模块如图5所示。
图6 卷绕铁心模块组装成铁心
图7 不同加工工艺减少涡流损耗
3 非晶合金电机研发与应用
随着非晶合金材料成分和制备工艺的不断完善，非晶合金软磁材料已逐步实现产业化应用，但在非晶合金电机领域，目前国内外大量研究机构仍处于不断探索研究阶段。
3.1径向磁通非晶合金电机
早在1982年美国学者就制造了世界第一台非晶合金异步电机，开启了径向磁通非晶电机的研究热潮。DEMS等、YANG等及ZHANG等对传统异步电机与非晶合金异步电机的效率进行了对比，研究表明非晶合金异步电机铁心损耗仅为传统硅钢片铁心的20.6% ，采用非晶合金作为异步电机的铁心可显著提高电机效率。德国卡尔斯鲁厄理工学院OU等和BAO等将非晶合金材料应用于磁通调制直线电机中，并提出了一种模块化铁心结构，如图8所示。该铁心通过将非晶带材卷绕为环形结构，然后进行线切割得到，可有效避免开槽影响，简化了该类电机铁心加工流程。
图8 非晶合金磁通调制直线电机模块化铁心
河北工业大学LI等将非晶合金材料应用于超高速永磁电机中，并对不同铁心材料下电机损耗特性进行分析，研究表明使用非晶合金铁心代替硅钢铁心后，可使电机铁心损耗降低46%以上；东南大学KONG等对外转子非晶合金永磁电机进行研究，设计并制作了一台700W、4500r/min的外转子非晶电机，如图9所示。样机实验结果显示，相同负载条件下，外转子非晶合金电机效率可提高 7%以上。俄罗斯乌法国立航空技术大学ISMAGILOV等设计制造了一台120kW、60000r/min的非晶合金高速永磁发电机，如图10所示。该电机定子由C型结构铁心模块组成，电机实验结果表明，采用非晶合金定子后，电机铁心损耗仅为硅钢电机的1/7。
波兰有色金属研究所KOLANO等分别研制了无槽和半开口槽的非晶合金铁心，如图11所示，对铁心在不同频率下的磁特性进行了测量，并将其应用于高速永磁无刷直流电机，研究结果表明，半开口槽非晶合金永磁电机性能更优，可在宽转矩范围内保持高效率；中国科学院电工所FAN等研制了一台20kW 车用高功率密度非晶合金内置式永磁电机，如图12所示，该电机相比于硅钢片电机功率密度提高了45% ；德国卡尔斯鲁厄理工学院LIU等将非晶合金应用于高速电机转子铁心，设计并研制了一台15.7kW、125000r/min的超高速内置式永磁电机，其转子结构如图13所示，相比于传统硅钢转子电机，该电机转子损耗降低了75.8%，转子最热点温度下降了50.3% 。
哈尔滨工业大学CHAI及日本东京理工大学HAYASHI等将非晶合金材料应用于开关磁阻电机与同步磁阻电机，电机结构如图14所示，研究结果表明，非晶合金材料应用于磁阻电机铁心可显著提高电机效率。相关学者除对电机效率进行分析外，还对非晶合金铁心不同加工工艺下损耗计算方法、非晶合金铁心尺寸变化对电机电磁性能的影响以及不同非晶合金转子结构适用的转速范围问题进行了研究。
图11不同开槽结构非晶合金铁心
图12车用高功率密度非晶合金电机
图13非晶合金转子铁心结构
图14晶合金磁阻电机
清华大学ZHOU等设计制造了一台20kW、100000r/min的超高速磁通切换永磁电机，结构如图15a所示。该电机定子采用 Ｃ 型结构铁心模块加工制作，并采用混合永磁体平行磁化方式以提高永磁体利用率；电机定、转子铁心均由非晶合金制造，其凸极转子如图15b所示。除上述电机外，ZHOU等还设计了一台具有不等齿宽的非晶合金高速永磁电机，其结构如图16所示。该电机定子由两套C型铁心模块以及一套环形铁心模块构成，相比于传统结构具有高容错性和高输出转矩的优点。
图15 超高速非晶合金磁通切换永磁电机
图16 不等齿宽非晶合金高速永磁电机
密西西比州立大学ISLAM等设计了一台非晶合金超高速永磁电机，该电机定子由环形轭部铁心模块以及矩形齿部铁心模型构成，可在简化铁心加工流程的同时有效增加电机容错能力。除以上电机外，还有学者对模块化非晶合金定子混合励磁电机、模块化非晶合金定子游标电机、非晶合金磁通反向电机、非晶－硅钢混合材料定子电机进行了研究，并对其电磁特性进行计算，模块化非晶合金定子混合励磁电机及非晶－硅钢混合材料定子分别如图 17、18所示。
图17 模块化非晶合金定子混合励磁电机
图18 非晶－硅钢混合材料叠压定子
3.2 轴向磁通非晶合金电机
除了径向磁通电机外，大量学者也对轴向磁通非晶合金电机进行了研究。阿德莱德大学ERTUGRUL等利用磨料水喷射加工开槽技术制造了一种锥形结构单气隙非晶合金轴向磁通永磁电机，其结构如图19所示。该电机相比于常规轴向磁通永磁电机可以增大气隙面积，提高输出转矩。卡耐基梅隆大学SIMUZU等提出一种非晶合金轴向磁通切换电机，电机定、转子均由非晶合金卷绕制成，其结构如图20所示。日立研究实验室WANG等提出模块化分段切割和无槽铁心两种轴向磁通电机卷绕铁心结构，并分别制造了样机，电机结构如图21所示。
图19 锥形结构非晶合金电机
图20 非晶合金轴向磁通切换电机
图21 非晶合金轴向磁通电机卷绕铁心结构
北京理工大学LI等提出一种新型无轭分段电枢轴向磁通非晶合金永磁电机，并对分别采用叠压以及卷绕工艺制成电机定子模块的电磁场与温度场进行了分析，电机结构如图22所示。沈阳工业大学团队研制了7kW、4000r/min的双定单转非晶合金轴向磁通电机与7kW、3000r/min的非晶合金混合励磁轴向磁通电机，分别如图23与24所示。其中所研制的混合励磁电机可实现20％～30％ 的增磁、去磁效果，具有良好的调磁特性。华中科技大学SUN等提出了一种多级轴向磁通永磁电机，并分析了不同定子铁心材料对电机性能的影响，研究表明其在铁心损耗方面，非晶合金材料优势显著。
3.3 非晶合金电机研究情况总结
图23 非晶合金轴向磁通电机
图24 非晶合金混合励磁轴向磁通电机
