软磁复合材料发展的潜力与应用.doc

大比特资讯 http://mag.big- and application of soft magnetic composites摘要：本文介绍了铁基软磁复合材料（SMC）技术，特性与优点，具体介绍了为不同应用而研发的 SMC 产品，这些应用有如电机，快速驱动或脉冲变压器及电力电子等1 引言通过将铁粉包覆使其具有绝缘颗粒表面，成功地制造出软磁复合材料（SMC ） SMC 材料受益于它的一系列不同性能，并不在于单个性能水平利用三维磁路（在铁芯结构所有方向上磁导率不变）的可能性，开辟了新的前程，特别是在永磁电机的设计上设计与制造的 SMC 制品具有光滑的弯曲部分与很高的表面质量 SMC 粉未技术也可用于提高制造的一体化水平，铁芯与线圈可一次组装，无需在复杂铁芯结构上绕线基于 SMC 构思发现新的设计，目标是在某些应用上取代叠层硅钢材料，用于与叠层硅钢材料相结合的特殊部件2 软磁复合材料SMC 材料（软磁复合材料）基本上是包覆绝缘层的铁粉颗粒，见图 1 所示大比特资讯 http://mag.big- 1 SMC 材料示意图最终部件的电磁与力学性能不仅取决于粉末 SMC，也取决于混合粉，即添加的润滑剂或润滑剂/粘结剂，以及工艺，如冷压或温压。

混合粉的种类也支配最高热处理温度表 1 示出 SMC 材料 Somaloy 500 所用的几种不同的生产途径通常的经验法则是，减少添加剂与提高热处理温度将提高磁性能，但也导致强度的降低表 1 SMC 材料 Somaloy 500 的各种工艺粉末 预混合 工艺润滑剂：0.5%Kenolube800MPa 压制500℃ 固化润滑粘结剂0.6% LB1800MPa 传统压制275℃ 固化润滑粘结剂0.6% LB1800MPa ， 250℃温压275℃ 固化Somaloy 500润滑剂+粘结剂0.5% Kenolube+0.5%B1800MPa 压制275℃ 固化添加剂数量低，可使混合粉压制得到高的密度，这对磁性是有利的在压制过程中，颗粒中产生应力，会损害软磁性能热处理温度越高则消除应力的程度越高但关键是，颗粒间不能发生烧结，因为涡流损耗会随着频率而迅速增大Somaloy500 粉未的最高推荐固化温度是 500℃，固化 30min图 2 示出生坯与热处理 Somaloy 500 试样的直流磁滞曲线大比特资讯 http://mag.big- 500+0.5%润滑剂， 7.38g/cm3Somaloy 500＋0.5 %润滑剂，7.38 g/cm3图 2 SMC 热处理坚磁滞曲线的影响目前，常用的 SMC 材料有瑞典 Hoganas 公司的 Somaloy 500、 Somaloy 700，加拿大 Quebec 公司的 Atomet EM-1，海美格磁石技术（深圳）有限公司的 HM-S4。

3 软磁复合材料的优点（1）Hoganas 公司 SMC 材料产品 Somaloy 和烧结软磁相比，最大优点是很高的电阻率，它是纯铁的 500 到 105 倍（见表 2） 表 2 SMC 材料产品 Somaloy 和烧结软磁的电阻率比较材料 电阻率 (μΩ m)烧结铁 0.1大比特资讯 http://mag.big- Fe+0.45% P 0.2烧结铁氧体 0.6Somaloy 500 1P 70Somaloy 700 1P 400Somaloy 110 i 10000（2）SMC 和传统的铁粉芯相比，最大的优点是高的磁导率和低的铁损3）各硅钢相比，最大优点三维（ 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4）它还有粉未冶金工艺提供的三维 3D 成型技术，部件精度高，平滑表面和达到 95-98%以上的材料利用率如图 3 所示图 3 3D 磁通路线示意图和内置线圈产品图由于这些特点，它能通过新布局的 3D 磁通路线，较小的绕组线圈体积和内部装置构件，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4 SMC 材料发展潜力与局限大比特资讯 http://mag.big- 强度由于 SMC 材料不能烧结，故强度低于叠层硅钢的或烧结的部件旋转电机所需强度随转子尺寸与速度而变化一般来说：转子齿受旋转的力和定子的磁拉力定子受同样的磁拉力但不受旋转的力相对小的马达，不在高速转动，不受很大的力制造工艺，如绕线或组装，很可能有强度要求相对高的横向断裂强度是可以达到的，取决于表 1 所示的生产工艺用含润滑粘结剂 LB1 混合粉制造的部件，横向断裂强度的100MPb，而含润滑剂 Kenolube 混合粉所制件的横向断裂强度则约50MPa实际上，与叠层硅钢件相比，粉末制造的这种力学性能是一个优点回收时，将部件压碎，用磁选即可简便地将铜绕组与铁分开4.2 三维磁通与光滑表面（1） 为成功设计 SMC 部件，必须利用独特的各向同性磁性能因为磁通的移动在三维是一样的，故可以高度灵活地将材料用到最需要的地方例如，叠层硅钢制造的齿块在整个横截面上具有相同的轴向长度SMC 压制的部件，铁心基板，齿体与齿端有不同的轴向长度。

这就意味着易于利用集中磁通设计或腾出绕组的空间也可用各向同性性能开发具有径向和轴向磁通的全新设计，实际上这是不可能用叠层硅钢来制造的2）为产生所需磁通，铜绕组必须围绕给定的横截面积绕制横截面越圆，所需铜绕组越少用粉末冶金技术可压制多台阶部件，横截面至少是半圆形的导线体积减少是粉末材料最重要的优点，大比特资讯 http://mag.big- 2R） 具有部分半圆形横截面的部件用叠层硅钢是难以制造的3）另一个优点是压制件的平滑表面叠层硅钢经常有尖锐的边棱，为保护绕组需要坚韧而厚实的绝缘层绝缘层占用有价值的空间，起热障作用，降低了热传导率4.3 尺寸和精密公差压机的压力限制压制件的尺寸达到高的磁性能需要高密度，因而在一些场合有必要将软磁件分成几块可是，分块常是最终组装的一个优点，因为可以采用简化的绕线法这可以提高每单位体积铜的填充系数，提高电机性能，因为可降低热阻率和端绕组粉末治金件可以制造，而且具有精密公差这是很重要的，因为不想加工而且部件间的间隙可提高磁路的磁阻4.4 磁导率与叠层硅钢材料平面方面的性能相比，SMC 材料的相对磁导率要低的多图 4 示出 SMC 的 Somaloy500 与 Transil315(3%Si 叠层钢)磁导率对施加磁化场的变化曲线。

叠层硅钢的最大相对磁导率是 Somaloy的 10 倍之多在 SMC 部件中，磁通必须通过像包覆层与孔隙等非磁性材料，因而降低了试样的磁导率也因这同样的原因，故垂直于叠层硅钢片（2 方向）的磁导率比 Somaloy 为差，这就意味着粉末部件的主要目标应该是在最大磁导率不甚重要的应用方面大比特资讯 http://mag.big- 4 SMC 的 Somaloy 500 与 Transil 315(叠层钢)的相对磁导率在永磁电机中，永磁体可以看作是有效气隙磁路磁导率由有效气隙支配，因此较磁材料的磁导率不太重要另一类最大磁导率不太重要的电机是交直流两用马达这些电机是很强的电与磁驱动，因而最大磁导率不太重要，因为这出现在弱场中强场中的磁感应强度或磁导率仍然是很重要的，不过叠层硅钢与相对高密度 SMC 部件在强场中的差别是不大的感应电机具有很小的气隙，需要高磁导率以保持低的磁化电流软磁材料的磁阻会影响磁路磁导率，因此感应电机是用粉末制取部件最困难的机型之一重新设计软磁部件仍能得到一些好处进一步设计开发以及提高磁导率的新材料会大大改进电机性能4.5 磁感应强度磁饱和取决于材料本身的纯度与密度。

在较弱的磁场中，磁感应强度也取决于显微结构（磁导率） ，如图 5 所看到的，磁场越强，磁饱和程度变得越重要可是，大多数电机低于磁饱和运行，且由于磁导率较低，故 SMC 部件的磁感强度是较低的在设计时可在关键区域用较多的铁心材料来加以补偿大比特资讯 http://mag.big- 5 不同密度 SMC 的 Somaloy 500 的典型 B-H 曲线4.6 损耗在电机中有绕组的铜损耗（I 2R）和软磁材料中的铁损耗软磁材料中损耗包括磁滞损耗（直流损耗）与交变磁场引起的涡流损耗与 SMC 材料相比，大部分叠层硅钢材料有较低的磁滞损耗与较高的涡流损耗磁滞损耗随频率线性增大，而涡流损耗和频率有平方关系这就意味着在某一频率要出现交叉，给出 SMC 优势交叉点取决于混合粉末，当然也取决于叠层硅钢类型与叠层部件的制造参数冲压与机加工后材料中产生应力，增大磁滞损耗在绝缘层中由于毛刺或不完整性的层间接触增大了涡流损耗但是在大多数电机感兴趣的 50Hz 到数百 Hz 频率范围，一般来说，SMC 部件的损耗是较高的，尽管此差别比材料数据直接对比要小得多5 为不同应用而研发的 SMC 产品5.1 为电机应用而开发的 SMC 产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。

长期以来，电机设计和制造是基于硅钢材料二维磁能能量用大比特资讯 http://mag.big- 材料直接取代硅钢材料往往很难显示其性能或成本优势虽然有例外，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特性5.1.1 材料的三维磁通特性设计师运用新的拓扑形状结构、线圈绕组和装配方案是可以达到的，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，而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永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（1） 无刷直流电机例如，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） ，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 6 是定子设计图图 6 无刷直流电机定子设计图大比特资讯 http://mag.big- 轴向磁通马达一个利用 SMC 的电机拓扑结构是轴向磁通马达，作为高性能牵引电机它已成功地被用在英国汽车工程项目中，图 7 示出 Oxford University（剑桥大学）设计的 SMC 轴向磁通马达表 3 中，列出了一些电机特性图 7 轴向磁通马达表 3 轴向磁通马达的一些电机特性扭矩 130 Nm转速 3600 r/min功率 50 kW频率 300 Hz重量 11 kg5.1.2 提。