新材料在电机行业中的应用.docx

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1、新材料在电机行业中的应用目录1 .弓I言12 .绝缘系统1?耐电晕漆包线2?绝缘浸渍树脂4?柔软复合材料56 .碳纤维67 .新型定子材料87.1.Fe-3wt%Si铁素体87.2.取向硅钢材料91 .引言新材料可以细分为先进钢铁材料、先进有色金属材料、先进石化化工新材料、先进无机非金属材料、高性能纤维及制品和复合材料、前沿新材料、新材料相关服务等多类。乍看比较陌生，实际都和我们的生活密切相关。本文将主要探究新材料在电机行业中的应用前景。2 .绝缘系统目前驱动电机的典型绝缘解决方案一般可分为主要绝缘和次要绝缘，如下图所示。电磁线：PAIPIPeek线绑扎绳：聚弗、玻纤、对位芳纶、PPS等浸淡漆

2、：不饱和聚置亚胺,环铤Busbar：ppa.PPS注装绝缘焊点涂敷：环氧类等主要绝缘对电机的安全运行至关重要，包括电磁线绝缘、槽绝缘、相间绝缘、槽楔绝缘、浸渍漆等；次要绝缘主要起到辅助的绝缘效果，同时为线圈提供机械支持和保护，包括绝缘套管、绑绳、母线绝缘和焊点涂敷等。?.耐电晕漆包线驱动电机越转越快、电驱系统功率密度越来越高，漆包线的性能和质量要求势必越来越严格。目前，电动汽车驱动电机中，主要使用的是纳米粒子改性的H级（或以上级别）的耐电晕漆包线。这种漆包线的漆膜从早期的三涂层，发展到后来的二涂层。由于三涂层的寿命短、漆膜附着力相对较差，逐渐跟不上要求。2000年，杜邦开发了二涂层的耐电晕漆包

3、线，底涂层为纳米粒子改性聚酯亚胺耐电晕涂层，面涂层为PA1涂层。二涂层面世至今，已在驱动电机领域应用广泛。近年来随着油冷电机的崛起，PA1单涂层耐电晕漆包线凭借其耐ATF油、耐高温等性能，应用越来越广泛。耐电晕漆包扁铜线而我们都知道，选用什么材料、什么技术，都是根据应用主体的技术不断变化的，没有哪种材料是万金油。随着扁线技术的高速发展，更高的槽满率、功率密度让越来越多的OEM选择扁线电机。传统圆形导体定子槽型图矩形导体定子槽形但耐电晕漆包扁线的4个“R”角涂覆工艺性差，当下应用中往往会出现耐电晕性能下降、性能不稳定等痛点问题。止匕外,最近部分商业应用正在使用挤出到漆包线的PEEK材料代替溶剂型

4、浸涂。?.绝缘浸渍树脂电机定子绝缘处理主要是采用真空浸渍树脂(VI)和真空压力浸渍树脂(VPI),一般来说基体树脂为高强度高耐热的改性聚酯或聚酯亚胺。值得一提的是纳米粒子改性技术，通过添加纳米无机粒子，可以提高挂漆效率、耐热性和耐电晕性能。说到现状，近几年来适应绕组通电加热固化、紫外光固化、旋转滴浸等新工艺的树脂，也进入人们视野。其中，通电加热工艺属于效率较高的新做法，从浸渍到树脂凝胶几乎只需要几分钟，整个处理过程大约1个小时左右就可以完成。而且可以精确控制挂漆量，填充性能好，不产生树脂固化废渣。但是，通电加热这种工艺的主要设备现在还被德国、意大利的外企所掌控,进口的价格也比较高，目前还没有大

5、规模在国内扩展。?.柔软复合材料目前主流的非油冷驱动电机槽绝缘、槽楔、相间绝缘主要采用两层聚芳酰胺纤维纸（如NOmeX）和一层P1薄膜复合，成为一种柔软的复合材料。这种绝缘材料具有H级耐热等级，且成本更低，所以得到了普遍应用。但其耐电晕和耐ATF油的性能稍差。随着油冷电机的普及，这样不耐油的柔软材料开始力不从心，容易产生分层现象，从而降低绝缘性能。这就带来了一个“恶性循环”：为了提升耐油性能，电机开发设计时会采用耐油性更好的单层厚型聚芳酰胺纤维纸；但这种材料的电气性能比较差，为了提升绝缘性能，又必须增加材料设计厚度，增加厚度必然会影响功率密度，从而提升整个电机的制造成本。这还只是油冷电机，如果

6、再加上当下时兴的800V电气系统的话，上面这些问题会越来越严重。6.碳纤维近年来，随着电动车驱动系统的小型化、轻量化，以及驱动电机高效率化的市场需求不断加大，对驱动电机提出了更高转速的要求。碳纤维材料的应用，恰恰满足了驱动电机高速化需求。碳纤维指的是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维。耐高温居所有化纤之首。用晴纶和粘胶纤维做原料，经高温氧化碳化而成，是制造航天航空等高技术器材的优良材料。碳纤维具有耐高温、抗摩擦、导热及耐腐蚀等特性外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的密度小，因此比强度和比模量高。碳纤维的主要用途

7、是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进复合材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度及比模量在现有工程材料中是最高的。电机转子：电机的转子结构必须要克服的离心应力，一般采用金属护套、转子本身结构（如IPm的鱼骨架、IM的转子结构）等。碳纤维可以用于制造电机转子，尤其是在需要高速旋转和轻量化的应用中。碳纤维转子具有较高的强度和刚度，使其能够承受高速旋转时的离心力和惯性力。止匕外，碳纤维的低密度可以减轻整个电机系统的质量，从而提高能源效率和响应速度。由此可见，无论是在超高速电机还是在大功率电机方面，国外对高速电机的研究时间相对较早，技术较为成熟，并开始向系列化和产业化发展。国内在超高

8、速与大功率高速电机方面的研究已经取得了一定成果，但在IookW等级（45X103”min）、MW等级（15X1CT/min）以上，大功率高速电机系统产业化才刚起步，与国外相比尚有一定的差距。在体积更小、功率更高追求驱动下，电机的转速一路攀升，从早期的两三千转，一直攀升到几万甚至几十万转，更高的转速使得功率密度和原材料利用率提高。因此，高转速是强趋势，以新能源驱动为例，丰田PriUS推出的第一代产品最高转速才6000rmin,到第四代产品转速达到17000rmino高速、超高速的应用前景广阔但同时给电机带来了极高的挑战，可概括为以下六大类：散热、电机选型、转子结构、振动噪音、效率、轴承。磁力轴承

9、：碳纤维材料在磁力轴承中被广泛应用。磁力轴承使用磁场来悬浮和支撑转子，从而减少机械接触和摩擦。碳纤维材料的高导磁性和低电阻特性使其成为磁力轴承的理想选择，因为它可以提供良好的磁场响应和低能量损耗。结构组件：碳纤维复合材料可用于制造电机的结构组件，例如外壳、端盖和支架。这些组件需要具备轻量化和高强度的特性，以提供足够的结构支撑和保护内部电机部件。碳纤维复合材料的高强度和低密度使其成为制造这些组件的理想选择。冷却系统：在高速电机中，冷却系统的有效性对于维持电机的稳定运行至关重要。碳纤维具有较高的导热性能，可用于制造冷却系统中的散热板和散热片。碳纤维的导热性能可以帮助快速传递热量，保持电机的温度在可

10、接受范围内，从而提高电机的效率和寿命。总的来说，碳纤维在高速电机中的应用主要集中在提供轻量化、高强度和良好的导热性能等方面。这些特性可以改善电机的性能、效率和可靠性，促进高速电机技术的发展。7.新型定子材料7.1.Fe-3wt%Si铁素体电机是现代工业中不可或缺的重要组件，而电机的性能往往取决于定子的质量，传统的电机定子通常采用硅钢片材料制造。增材制造技术是一种新兴的制造技术，可以制造出更为复杂的结构，同时可以大大缩短产品的开发周期。Fe-3wt%Si铁素体材料具有优异的磁性能和机械性能，可以大大提高电机的性能，同时电阻率比传统的硅钢片低，电性能更好。因此，采用增材制造技术和Fe-3wt%Si

11、铁素体材料制造电机定子具有重要的意义和应用价值。近日来自美国橡树岭国家实验室的TejN.1amichhane等研究人员进行了增材制造技术和Fe-3wt%Si铁素体材料制造电机定子的研究，该技术不仅可以实现复杂形状的定子制造，具有更高的灵活性和可定制性。同时可以大大缩短产品的开发周期，提高生产效率。这项研究得到了美国能源部的支持，是一项非常有前途的技术研究。该定子是通过选择性激光熔化技术打印出来的，然后加工成薄层，最后叠加成定子核心。研究采用了选择性激光熔化(Se1ective1aserMe1ting,S1M)技术来打EfJ出Fe-3wt%Si铁素体材料。S1M技术是一种基于粉末材料的增材制造技

12、术，通过激光束将粉末材料熔化并逐层堆积，最终形成所需的三维结构。相比传统的制造方法，S1M技术具有更高的灵活性和可定制性，可以制造出更为复杂的结构。Fe-3wt%Si铁素体材料是一种具有优异磁性能和机械性能的材料，可以大大提高电机的性能。同时，该材料的电阻率比传统的硅钢片低，电性能更好。这种材料的应用可以为电机制造业带来更高的性能和更好的效率。该研究还对打印出来的材料进行了性能测试，并与传统的硅钢片进行了比较。结果显示，该定子的磁导率比传统的硅钢片高出20%以上，磁饱和感应强度也比传统的硅钢片高出10%以上。同时，该定子的强度和硬度都比传统的硅钢片高出很多，电阻率也比传统的硅钢片低，电性能更好

13、。这种性能的提升可以为电机制造业带来更高的效率和更好的性能。7.2.取向硅钢材料取向硅钢材料由于其具有明显的磁各向异性，尤其是沿制方向具有极低损耗和高磁导率，而其他方向电磁特性较差、铁损很高，所以主要是用于磁化方向单一的各种变压器、互感器等设备上。而对于定子铁芯磁化方向单一的轴向磁通电机，取向硅钢又进入了研究人员的视野。所研究的3种材料分别是非取向钢、取向钢和软磁复合材料中较为典型的一种，其牌号分别为M350-50AB20R070SMC-700HR5Po从不同角度对采用非取向钢、取向钢以及SMC材料的轴向磁通电机进行了分析，得出如下结论：当取向钢材料作为定子材料时，电机磁场与其他2种材料有明显区别，而非取向钢和SMC电机磁场基本类似，仅在强度上有一定差异。3种电机在小电流激励时，输出转矩基本相同（SMC电机略小）而在大电流激励时，由于各材料饱和点的不同，取向钢电机抗饱和能力最强，输出转矩较大。对比各电机铁耗，SMC电机铁损最大，非取向钢电机次之，而采用取向钢材料的YASA轮电机由于特殊的磁路结构结合取向钢铁损特性,在电机转速区域内铁损最小，但分布不均。在温度场中，由于非取向钢与取向钢叠压而成的定子铁芯沿此方向导热系数小，铁芯外径端部温度明显比各向同性的SMC铁芯高。最后，对比3种材料的电磁方案选择取向钢作为轴向磁通电机定子材料最优。