新材料在電機行業中的應用

新材料可以細分為先進鋼鐵材料、先進有色金屬材料、先進石化化工新材料、先進無機非金屬材料、高性能纖維及制品和復合材料、前沿新材料、新材料相關服務等多類。乍看比較陌生，實際都和我們的生活密切相關。本文將主要探究新材料在電機行業中的應用前景。

1 碳纖維

近年來，隨著電動車驅動系統的小型化、輕量化，以及驅動電機高效率化的市場需求不斷加大，對驅動電機提出了更高轉速的要求。碳纖維材料的應用，恰恰滿足了驅動電機高速化需求。

碳纖維指的是含碳量在90%以上的高強度高模量纖維。耐高溫居所有化纖之首。用腈綸和粘膠纖維做原料，經高溫氧化碳化而成，是制造航天航空等高技術器材的優良材料。

碳纖維具有耐高溫、抗摩擦、導熱及耐腐蝕等特性 外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物，由于其石墨微晶結構沿纖維軸擇優取向，因此沿纖維軸方向有很高的強度和模量。碳纖維的密度小，因此比強度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等復合，制造先進復合材料。碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其比強度及比模量在現有工程材料中是高的。

電機轉子：電機的轉子結構必須要克服的離心應力，一般采用金屬護套、轉子本身結構（如Ipm的魚骨架、IM的轉子結構）等。碳纖維可以用于制造電機轉子，尤其是在需要高速旋轉和輕量化的應用中。碳纖維轉子具有較高的強度和剛度，使其能夠承受高速旋轉時的離心力和慣性力。此外，碳纖維的低密度可以減輕整個電機系統的質量，從而提高能源效率和響應速度。

由此可見，無論是在超高速電機還是在大功率電機方面，國外對高速電機的研究時間相對較早，技術較為成熟，并開始向系列化和產業化發展。國內在超高速與大功率高速電機方面的研究已經取得了一定成果，但在100kW等級（45×103r/min）、MW等級（15×103r/min）以上，大功率高速電機系統產業化才剛起步，與國外相比尚有一定的差距。

在體積更小、功率更高追求驅動下，電機的轉速一路攀升，從早期的兩三千轉，一直攀升到幾萬甚至幾十萬轉，更高的轉速使得功率密度和原材料利用率提高。因此，高轉速是強趨勢，以新能源驅動為例，豐田Prius推出的第一代產品轉速才6 000 r/min，到第四 代產品轉速達到17000 r/min。高速、超高速的應用前景廣闊但同時給電機帶來了極高的挑戰，可概括為以下六大類：散熱、電機選型、轉子結構、振動噪音、效率、軸承。

磁力軸承：碳纖維材料在磁力軸承中被廣泛應用。磁力軸承使用磁場來懸浮和支撐轉子，從而減少機械接觸和摩擦。碳纖維材料的高導磁性和低電阻特性使其成為磁力軸承的理想選擇，因為它可以提供良好的磁場響應和低能量損耗。

結構組件：碳纖維復合材料可用于制造電機的結構組件，例如外殼、端蓋和支架。這些組件需要具備輕量化和高強度的特性，以提供足夠的結構支撐和保護內部電機部件。碳纖維復合材料的高強度和低密度使其成為制造這些組件的理想選擇。冷卻系統：在高速電機中，冷卻系統的有效性對于維持電機的穩定運行至關重要。碳纖維具有較高的導熱性能，可用于制造冷卻系統中的散熱板和散熱片。碳纖維的導熱性能可以幫助快速傳遞熱量，保持電機的溫度在可接受范圍內，從而提高電機的效率和壽命。

總的來說，碳纖維在高速電機中的應用主要集中在提供輕量化、高強度和良好的導熱性能等方面。這些特性可以改善電機的性能、效率和可靠性，促進高速電機技術的發展。

2 新型定子材料

2.1 Fe-3wt.%Si鐵素體

電機是現代工業中不可或缺的重要組件，而電機的性能往往取決于定子的質量，傳統的電機定子通常采用硅鋼片材料制造。增材制造技術是一種新興的制造技術，可以制造出更為復雜的結構，同時可以大大縮短產品的開發周期。Fe-3wt.%Si鐵素體材料具有優異的磁性能和機械性能，可以大大提高電機的性能，同時電阻率比傳統的硅鋼片低，電性能更好。因此，采用增材制造技術和Fe-3wt.%Si鐵素體材料制造電機定子具有重要的意義和應用價值。

近日來自美國橡樹嶺國家實驗室的Tej N. Lamichhane等研究人員進行了增材制造技術和Fe-3wt.%Si鐵素體材料制造電機定子的研究，該技術不僅可以實現復雜形狀的定子制造，具有更高的靈活性和可定制性。同時可以大大縮短產品的開發周期，提高生產效率。這項研究得到了美國能源部的支持，是一項非常有前途的技術研究。

該定子是通過選擇性激光熔化技術打印出來的，然后加工成薄層，疊加成定子核心。研究采用了選擇性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術來打印出Fe-3wt.%Si鐵素體材料。SLM技術是一種基于粉末材料的增材制造技術，通過激光束將粉末材料熔化并逐層堆積，最終形成所需的三維結構。相比傳統的制造方法，SLM技術具有更高的靈活性和可定制性，可以制造出更為復雜的結構。Fe-3wt.%Si鐵素體材料是一種具有優異磁性能和機械性能的材料，可以大大提高電機的性能。同時，該材料的電阻率比傳統的硅鋼片低，電性能更好。這種材料的應用可以為電機制造業帶來更高的性能和更好的效率。

該研究還對打印出來的材料進行了性能測試，并與傳統的硅鋼片進行了比較。結果顯示，該定子的磁導率比傳統的硅鋼片高出20%以上，磁飽和感應強度也比傳統的硅鋼片高出10%以上。同時，該定子的強度和硬度都比傳統的硅鋼片高出很多，電阻率也比傳統的硅鋼片低，電性能更好。這種性能的提升可以為電機制造業帶來更高的效率和更好的性能。

2.2 取向鋼

取向硅鋼材料由于其具有明顯的磁各向異性，尤其是沿制方向具有極低損耗和高磁導率，而其他方向電磁特性較差、鐵損很高，所以主要是用于磁化方向單一的各種變壓器、互感器等設備上。而對于定子鐵芯磁化方向單一的軸向磁通電機，取向硅鋼又進入了研究人員的視野。

所研究的3種材料分別是非取向鋼、取向鋼和軟磁復合材料中較為典型的一種，其牌號分別為 M350-50A、B20R070、SMC-700HR5P。

從不同角度對采用非取向鋼、取向鋼以及SMC材料的軸向磁通電機進行了分析，得出如下結論：

當取向鋼材料作為定子材料時，電機磁場與其他2種材料有明顯區別，而非取向鋼和SMC 電機磁場基本類似，僅在強度上有一定差異。

3種電機在小電流激勵時，輸出轉矩基本相同(SMC電機略小)而在大電流激勵時，由于各材料飽和點的不同，取向鋼電機抗飽和能力最強，輸出轉矩較大。

對比各電機鐵耗，SMC 電機鐵損最大，非取向鋼電機次之，而采用取向鋼材料的YASA輪電機由于特殊的磁路結構結合取向鋼鐵損特性，在電機轉速區域內鐵損最小，但分布不均。

在溫度場中，由于非取向鋼與取向鋼疊壓而成的定子鐵芯沿此方向導熱系數小，鐵芯外徑端部溫度明顯比各向同性的 SMC鐵芯高。

對比3種材料的電磁方案選擇,取向鋼作為軸向磁通電機定子材料。