高性能铁基软磁复合材料(SMC)在低碳经济中的应用 - 图文

高性能铁基软磁复合材料（ＳＭＣ）在低碳经济中的应用叶舟（ＺＨＯＵＹＥ）摘要：Ｈ的锄ｂ＾Ｂ，ＳＥ－２６３８３Ｈ的ａｎａｓＳｗｅｄｅｎ王是赫格纳斯（中国）有限公目中国±海市青捕区外青栓公路５６４６号本文主耍介绍ｒ高性能铁基软磁复合材料（ｓｍ）技术，包括该技术的概念，特性与优点，井具体介绍了ＨＳｇａｎａｓ公司为不同的应用而研发的Ｓｏｍａｌｏｐ产品这些应用有如电机，快速驱动或脉冲变压器以及电力电子文章还分析了低碳经济（环境保护和节能）为高性能铁基软磁复合材料提供的机遇．挑战和潜在的市场。低碳经济，是指在可持续发展理念指导下。通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环境保护取赢的一种经济发展形态。简单的说，其关键是节能减排和新能源．它将是未来世界发展的大势所趋低碳经济涉及Ｊ１泛的产业领域和管理领域，也与磁性材料的发展密切相关因为提高电机效率和节能照明工程是节能的重要措旌之一．而它们都需要磁性材料风力发电和太阳能发电是是重要的绿色新能源，它们也都需要高性能的磁性材料所以说．低碳经济为高性能软磁材料提供了机遇和很大的潜在市场．但也对较碰材料提出了更高的要求，本文将介绍了高性能铁基软磁复合材料（ＳＹＣ）技术和ＨＳｇａｚｉｓ公司为不同的应用而研发的Ｓｏｍａｌｏ产产品，以及这些产品在低碳经济中的应用前景。１．高性能铁基软磁复合材料复合软磁材料（ＳＭＣ）是经压制及热处理，具有三维（３Ｄ）磁性性能的金属粉末零件的国际名称。ＳＭＣ材料由表面绝缘的高纯铁粉颗粒组成（如图１），这些颗粒经过压制，在一个工序步骤内即可形成具有复杂外形的各向同性的零件（如图２）。产品的性能取决于基础粉末与添加剂以及部件生产过程，这些包括铁基粉的纯度，铁基粉的微观结构，铁基粉的颗粒分布，还包括绝缘镀层和添加剂．部件生产过程包括压制和及热处理。图ｌ复台软磁材料（ＳＭＣ）圈２复台软破材料的粉末冶金工艺０８２．１ｔＳｇａｎｊ．ｓ（赫格纳斯）Ｓｏｍａｌｏｙ罾技术Ｓｏｍａｌｏｙ＠是Ｈ６９ａｎａｓ（赫格纳斯）ＳＭＣ部分的唯一商标。Ｓｏｍａｌｏｙ＠是一个完整的产品系统．技术包括：基粉，粉末的生产工艺，部件的压制和热处理以及应用设计等．Ｓｏｍａｋ）ｖ＠和烧结软磁相比，最大的优点是很高的电阻率，它是纯铁的５００到５ｏ００００倍（如表”。和传统的铁粉芯比，最大的优点是高的磁导率和低铁损．和硅钢比，最大的优点三维（３Ｄ）磁路和高频下的低铁损．换句话说频率稳定性好，使用频率范围广．它还有粉末冶金工艺提供的三维３Ｄ成形技术．部件精度高，平滑表面和达到９５—９８％以上的材料利并｛率，如图３所示由于这些特点，它能通过新布局的３Ｄ磁通路线，较小的绕组线圈体积和内置装配构件使我们的产品结构紧凑和降低重量．它能提供具有快速瞬态响应，快速、精确的驱动和大力矩的高性能产品．它还能通过降低铜和永磁体的成本，简化组装和降低系统成本来降低产品的最终成本．Ｓｏｍａｌｏｙ彻７被用于结构紧凑和高效率的电机，脉冲变压器如点火系统，快速驱动系统如燃油喷射器，电感元件在电力电子应用还有传感器等，材料自阻率ｌ衅ｍｌＳｉｎｔｅｒｅｄｌｒｏｌｌ０１ＳＪｎｔＥｒｅｄＦｅ＋０４５％Ｐ０，２ＳｉｎｔｅｒｅｄＦｅｒｒＪｔｌｃＳｔａｉｎｌｅｓｓ０，６Ｓｏｍａｌｏｙ５００１Ｐ７０Ｓｏｍａｌｏｙ７００１Ｐ４００￥ｏｍａｌｏｙ１】０ｊｌ００００ｒ］麓蠹舔▲－粼莓五甓ｋ阉函—＿匕圈３：３Ｄ碓通路线示意图和内置线圈产品图３．为不同应用而研发的Ｓｏｍａｌｏｙ∞产品Ｈ６９ａｎｉｓ（赫格纳斯）公司是世界上最大的铁粉和其他金属粉末生产和供应商．在过去的１０．１５年中，一直致力于高性能铁基软磁复合材料研发和生产，并在提高材料性能方面．１０９．取得可喜的成绩因为材料性能提高，使许多过去不成功的项目得以实现。Ｅｂ不同的Ｓｏｍａｌｏｙ预压制混合物和部件生产工艺，ＨＳｇａｎ五ｓ（赫格纳斯）公司开笈了一系列产品根据性能不同，可分为，１只”和５Ｐ系列产品１Ｐ系列产品是基初产品”系列产品具图４有高强度和高磁导率的优点５Ｐ系列产品是最新研发的产品，它的特点是铁损很低简单的比较了这三系列产品根据应用的不同可分为电机用的Ｓｏｍａｌｏｙ＠产品，快速驱动＆脉冲变压器用Ｓｏｍａｌｏｐ产品和电力电子用Ｓｏｍａｌｏ严产品下面将具体介绍这些产品。ｒ１Ｌ一。悟●◆攀…Ⅷ１Ｔ…ｚ¨ＩⅦ】幽４塾巫出监』＆韭塑』旦亡旦３．１为电机应用而开发的Ｓｏｍａｌｏｙ唧。品用于电机的硅钢材料是整个粉末冶金烧结材料的几倍，因此在电机上应用金属粉末对粉末冶金（ＰＭ）产业是一个很有吸引力的领域。然而，这也是根有挑战性的领域长期以来，电机设计和制造是基于硅钢材料二维磁通量。用ＳＭＣ材料直接取代硅钢材料往往很难显示其性能或成本的优势。虽有些例外，如高频电机，那里直接置换材料可能有降低铁损和提高效率。然而，成功的关键是在利用材料的三维磁通性能。设计师运用新的拓扑形状结构、线圈绕组和装配方案以达到，如更好的性能，减少大小和重量，降低生产成本，减少零部件优点。３Ｄ设计可用于很多电机拓扑结构。比如３Ｄ设计的通用电机能明显减少铜线用量以降低生产成本确［１］。尽管如此，ＳＭＣ还是很难在通用电机上广泛应用，因为这些电机工作频率较低，它们用的是厚而低成本的硅钢．却这些电机对磁性材料的要求是高的磁导率，而ＳＭＣ的磁导率明显低于硅钢。然而高效率承磁电机快速发展趋势，为ＳＭＣ材料提供了很好的应用前景。配以合理的控制器，永磁电机可以在很宽的频率范围工作。由于永磁很大的磁阻，电机对软磁材料磁导率的要求不高例如，ＳＭＣ成功的用于一个重新设计的无刷直流电机（涡旋压缩机用的）［２］，其结果是显著减小电机的体积。在这个例子中，仅仅只有重新设计定子，如进一步改进控制器和转子，那么电机就更能显示出用ＳＭＣ的优越性。图５是定子设计图。另一个利用ｓ胍的电机拓扑结构是轴向磁通马达，作为高性能牵引电机它０已成功地被用在英国汽车工程项目中（图６）［３］。表２中，列出了一些电机特性。类似成功的应用例子可以列举很多。表２轴向磁通马达的一些电机特性蛩唿。图５定子设计图圈６：ＯｘｆｏｒｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（剑桥大学）设计的ＳｉＣ轴向磁通马达综上所述，ＳＭＣ在电机技术应用的优势在很大程度上取决于设计。然而提高ＳＭＣ材科性能自然直接增加ＳＭＣ技术优势。和硅钢相比，ｓ胍的磁滞铁损大，但涡流铁损小。因此，为了提高ＳＭＣ在电机应用中竞争力，减少磁滞铁损是根重要的。十多年前的Ｓｏｍａｌｏｙ引入到市场，它的磁滞铁损比传统的铁粉芯低约３０％。几年前Ｓｏｍａｌｏｙ它磁滞铁损比Ｓｏｍａｌｏｙ５００降低约１０％。最新的研发的Ｓｏｍａｌｏｙ比传统的铁粉芯低约６０％，如图７。＂５００１Ｐ７００５１Ｐ投入市场，７００Ｐ材料的磁滞铁损＂∞””＊∞ｓⅢ１Ｐ…Ｔ～１８Ｍ：：ＩＣ…“４Ｌ……－｛ｏ…＝：：：：三．。●ｉｌ———————一一一———一——一——一一图７：铁损／周（ｔｏｍｌｏｓｓ／姻．ｅｎｃｙ）ｖｓ频率７００除了铁损，另一重要的材料特性是Ｂ－Ｈ曲线。幸运的是，Ｂ—Ｈ特性也有所改善，这意味着使电机有更大扭矩和／或低铜损。图８显示ＳＭＣ材料Ｂ—Ｈ曲线．另外一个很重要的特性是机械强度，由于ＳＭＣ材料强度较低而限制它的许多潜在应用。Ｓｏｍａｌｏｙ３Ｐ在这方面取得了显著的进步，并且其磁导率也有了进一步的提高。表３列出了为电机应用而开发的Ｓｏｍａｌｏｙｏ产品的主要性能。汐７）㈧蹦∞咖ＨＩｍ／ｍｌ２５０００３删图８Ｓｅｍａｌｏｙ∞产品和ＢＨ曲线表３为电机应岱ｍ１０００Ｈｚ）用而开发的ＳｏｍａｌｏｙＣｏｒｅｌｏｓｓ＠ＩＴ【Ｗ／ｋｇ】４００ＨｚｌｋｌｔｚＲｅｓｉｓｔｉｖｉｔｖＴＲＳＢ＠１０ｋＡ／ｍＩ，５６ｌ，６１１０【田ｍｊＳｏｍａｌｏｙ７００１Ｐ４００【ＭＰａＪ４０ＩＴ】】３ｌ４６３２１０４２００Ｓｏｍａｌｏｙ７００５Ｐ１０００６０ｌ５７６００６Ｓｏｍａｌｏｙ７００ＩＰ：部件生产工艺简单，Ｓｏｍａｌｏｙ７００３Ｐ：高强度和高磁导５适合５０Ｎ；Ｌ白赫兹的电机Ｓｏｍａｌｏｙ７００Ｐ铁损低应用实例１）更小更轻的ＡＢＳ油泵电动机在汽车行业内，ｒｕ动机正朝若更小更轻的趋势发展，包括：在低耗油量与给消费者提供更多功能选项之间建立稳定的平衡。日本的ＡｉｓｉｎＳｅｉｋｉ提出了极为紧凑小巧的设计方案如图９。基于Ｓｎｍａｌｏｖ８的电动机能提供相同的可比性能，而长度比以前要短３６％，重量轻１７％。Ｓｏｍａｌｏｙｏ技术，以其咀一贳之的自由理念进行３维设计，通过采用下列措施，生产更为紧凑轻便的电动机：?面向磁铁的Ｋ域面积增加，从而提高了８％的磁通量铜线缠绕效率更高，需求长度减少。?２

?复合软磁材料（ＳＭＣ）是经压制及热处理，具有三维（３Ｄ）磁性性能的金属粉末零件的国际名称。它频率稳定性好，使用频率范围广．它还有粉末冶金工艺提供的三维３Ｄ成形技术，部件精度高，平滑表面和达到９５—９８％以上的材料利用率等优点?Ｓｏｍａｌｏｙ圆是ＨＳｇａｎａｓ商标（ＳＭＣ材料）。Ｓｏｍａｌｏｙ＠是一个完整的产品系统可确保为不同的电磁应用提供优质量的材料。较传统铁粉芯具有高的磁导率和低铁损等特点．?低碳经济需要高性能的软磁材料，也为此提供了巨大商机．其应用频率范围在几百到几十万Ｈｚ．其金属基软磁材料的潜在市场达几十万吨到上百万吨．叁耋童整［１】Ｊａｃｋ．Ａ，Ｂ．Ｍｅｃｒｏｗ，Ｐ．Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ，“Ｄｅｓｉｇｎａｎｄ【２】Ｍ．Ｐｅｒｓｓｏｎ，ＱＴｅｓｔｉｎｇｏｆａＵｎｉｖｅｒｓａｌＭｏｔｏｒＵｓｉｎｇａＳｏｆｔＭａｇｎｅｔｉｃＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔａｔｏｒ＇’，ＩＥＥＡ—ＩＡＳ，２０００，Ｒｏｍｅ，Ｉ诅ＩｙＮｏｒｄａｎｄＬ－ＯＰｅｎｎａｎｄｅｒ，ＧＡｔｋｉｎｓｏｎａｎｄＡ．ＧＪａｃｋ“ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＳｏｍａｌｏｙａＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓｆｏｒａＢＬＤＣｍｏｔｏｒｉｎＳｃｒｏｌｌＣｏｍｐｒｅｓｓｏｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ”ＰＭ２００６，Ｂｕｓａｎ，ＫｏｒｅａｏｆｔｈｅＹｏｋｅｌｅｓｓＡｎｄＳｅｇｍｅｎｔｅｄＡｒｍａｔｕｒｅ【３】Ｗｏｏｌｍｅｒ，Ｔ，ＭｅＣｕｌｌｏｃｈ，＂Ａｎａｌｙｓｉｓ２００７，Ａｎｔａｌｙａ，ＴｕｒｋｅｙＭａｃｈｉｎｅ”ＩＥＭＤＣ，．１１８．高性能铁基软磁复合材料(SMC)在低碳经济中的应用

作者：作者单位：

叶舟， 王昊

叶舟(H(o)gan(a)s AB，SE-263 83 H(o)gan(a)s Sweden)， 王昊(赫格纳斯中国有限公司中国上海市青浦区外青松公路5646号)

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引用本文格式：叶舟.王昊 高性能铁基软磁复合材料(SMC)在低碳经济中的应用[会议论文] 2010

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