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摘 要：本文对铁基非晶合金的制备技术及性能特点进行了分析，综述了国内非晶合金产业及电机产业的特点和发展现状。提出了铁基非晶合金在电机定子铁芯应用所面临的问题，展望了非晶电机的发展趋势。铁基非晶合金在高效电机领域具有广阔的应用前景，对我国电机产业的升级换代有重要意义。
关键词：非晶合金;非晶电机;软磁材料
中图分类号：TM35 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）12-0248-02
1 铁基非晶合金概述
材料在人类历史发展过程中起到非常重要作用，能源、信息、材料被认为是21世纪国民经济的三大支柱，其中，材料是各行各业的基础，从世界科技发展史看，重大的技术发展往往伴随着材料的革新;反之，新技术的发展又促进了新材料的研发，可以说没有先进的材料，也就没有当今科技的快速发展，因此，材料的研发在科技发展中显示出不可替代的作用[1-3]。新材料所具备的特殊性能有别于传统材料，如超高强度、超高硬度、高耐腐蚀性等特殊性能，应对了现今科技发展对材料的高要求。磁性材料是电子工业的重要基础材料，广泛应用于计算机、通讯、汽车、电子器件、航空航天等领域，加之音响设备、电视机、电冰箱、空调器等家用电器以及日常生活用品等，在国民经济中起着十分重要的作用[2，9]。磁性材料按用途可分为软磁材料、硬磁材料、功能磁性材料（包括磁致伸缩材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁光材料、磁性薄膜材料等）。其中，软磁材料是电力工业和电子工业中广泛应用的重要材料。在电力工业，从电能产生（发电机）、传输（变压器）到利用（电动机）的过程中，软磁材料起能量转换作用。在电子工业，从通讯（滤波器和电感器）、自动控制（继电器、磁放大器、变换器）、广播电视和电影（声音图像的录、放、抹磁头），再到电子计算技术（各种铁磁性微波器件），软磁材料起着信息变换、传递与存储等重要作用[2]。近年来，随着科学技术的迅猛发展，软磁材料的需求空前广阔，对软磁材料的性能也提出了更高的要求，因而开发性能优异的软磁材料成为现代新型磁性材料研究的热点[1，2，4-6]。
铁基非晶合金作为一种新型软磁功能材料，具有典型的“双绿色”节能特征。首先，铁基非晶合金一般采用平面流铸造法（Planar Flow Casting，简称PFC）制备，以每秒一百萬度的冷却速率从钢液直接凝固形成厚度为20～30μm的条带，如图1所示。与传统的硅钢材料的制备过程相比，非晶材料的制造过程省去了浇铸、轧制、再结晶退火、表面绝缘处理等诸多工序，实现了冶金领域最短的工艺流程，制造过程可以节省约80%的生产能耗。同时，非晶材料具有原子排列长程无序的微观结构，从而表现出了优异的物理、化学和力学性能。特别是在磁性能方面，非晶材料本身具有低损耗、高磁导率的特征，现已成功应用于非晶配电变压器，其空载损耗可比传统硅钢变压器降低60～80%。所以，非晶材料的生产制造及应用均具有节能环保特性，广泛应用于输配电、电子信息、新能源汽车等领域[2]。
铁基非晶合金是综合性能优异的软磁功能材料之一。随着频率升高，硅钢铁芯损耗呈级数快速增加，非晶铁芯节能优势越来越显著，如图2所示。电机定子铁芯采用铁基非晶软磁合金，可以大幅降低电机铁芯损耗，还因其具有高磁导率的特征，可以降低电机的启动电流、提高电机的响应速度，降低电机的铜损;而且，非晶材料在电机的工作频率范围（50-1000Hz），磁导率随频率升高衰减缓慢，使非晶电机在越高频率综合性能优势越显著[2，7]。
2 铁基非晶合金产业发展现状
在国家科技部和北京市科委联合支持下，安泰科技突破了万吨级非晶带材产业化技术，中国已经成为世界上第二家在该领域拥有自己知识产权的国家。随着国内非晶制造企业产能的逐步释放，国产非晶带材的产能和市场占有率迅速攀升，2015年已高达10万吨，市场占有率已经达到59%;2016年12万吨，市场占有率超过90%;2017年，日立金属带材基本退出中国市场。
电机作为最重要的动力设备，广泛应用于工业制造、交通运输、家用电器以及国防军工等各个领域。我国是电机制造大国，每年消耗无取向硅钢约1000万吨，电机产品年销售收入达到万亿元。随着《中国制造2025》强国战略的实施，节能环保、新能源汽车、高端装备制造业等战略新兴产业的快速发展，对特种高频电机的功率密度或转矩密度、能效水平、运行稳定性等关键参数均提出了更高的要求，高频电机市场需求量接近千亿元。同时，中国正在成为全球最大电机系统及组件生产基地，市场规模接近万亿元。
3 铁基非晶合金在电机产业中的应用展望
相对于传统的硅钢软磁材料，非晶软磁材料应用于高频电机铁芯的优势十分明显。非晶带材应用于电机铁芯，可使电机铁损降低80-95%，进而大幅度降低电机温升、提高电机效率。然而，国内现有的牌号为1K101的铁基非晶合金专门针对配电变压器应用设计，其非晶形成能力和制带工艺有限，高厚度会导致带材出现晶化问题，影响带材的其它关键性能。同时，其饱和磁感应强度为1.56T，比硅钢材料约低20%，导致非晶电机在较低频率（400Hz以下）的功率密度低于硅钢电机，制造成本增加。因此，要实现非晶带材在高频电机的产业化应用和大规模推广，亟待开发新型高饱和磁感应强度、低损耗，同时兼备高厚度、高韧性的高频电机专用新型非晶带材及其集成化制备技术[7，8]。
电机是实现《中国制造2025》的重要一环，电机行业耗电量占全社会总耗电量的60%以上，非晶材料可使电机铁损降低85-95%;高频下（400Hz以上）非晶电机效率相比硅钢电机提升2-10%，推广应用高频、高效非晶电机意义重大。随着第三代宽禁带半导体控制器的发展和非晶铁芯技术的快速突破，通过发展高频特种非晶电机集成化技术，有望为我国高频电机产业带来一次技术革命，同时提高我国高端高频电机的综合性能和国际竞争力。铁基非晶合金在智能电网、新能源汽车、智能制造、信息技术、航空航天等战略新兴行业均存在巨大应用潜力，如图3所示。开展非晶节能配电变压器以及非晶电机产业化应用技术的开发、实现非晶铁芯、非晶节能配电变压器和非晶电机的产业化，将全面推动非晶高端节能产品核心技术的自主化和国产化发展，对于推动非晶绿色节能高端产业链的建设、推动非晶高端制造业的发展、提升产业核心竞争力和支撑首都经济的快速发展，必将产生巨大的社会效益[9]。
參考文献
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