研究背景
19世纪70年代初，为了克服实心铁件带来的涡流损耗问题，人们经常使用铁线。1873年，奥古斯特-佩勒林建议将铁芯细分为电气隔离的铁片，但直到1880年托马斯-爱迪生实验室生产出叠片铁芯之前，似乎没有人继续制造叠片铁芯。时至今日，层叠铁片仍是最常用的制造方法。
在随后的几年中，研究和开发不仅集中在机器生产上，而且还迅速发展和分析了许多软磁钢的特性。19世纪80年代和90年代，人们研究了不同的合金，如硅铁（SiFe）和镍铁（NiFe）。
从1890年到今天，硅铁合金仍然是工业电机层叠磁芯的不二之选，并且正在进行深入研究，以进一步提高其典型磁性能。除了改进硅铁合金，还对其他材料进行了广泛研究，以创造新的机器设计。
在过去的几十年中，非晶和纳米晶材料以及软磁复合材料（SMC）在电机应用方面得到了大量探索。
近年来，人们对增材制造（也称3D打印）进行了新的研究，将其作为一种直接使用粉末材料制造磁芯的方法，用于未来的机器应用。本文简要概述了新型或更多非常规软磁材料在电机应用中的应用。
电机中使用的磁性材料
在电机应用中，无取向硅铁（NOSiFe）是迄今为止最常见的材料，全球年产量约为1000万吨，占软磁材料市场总量的80%。铁氧体、粉末、非晶、镍铁和钴铁的全球年产量合计约为50万吨。
然而，磁性材料在新成分、材料加工和供应形式等方面的种类不断增加，使得电机设计师在为新机器设计选择最佳材料时面临挑战。这意味着，（反复）选择材料将成为未来机器开发过程中非常重要的一部分。
机器设计过程中需要考虑的典型材料参数包括磁饱和度；矫顽力；渗透性；铁损耗（磁损耗）；磁致伸缩（噪音）；交付（表格、完全处理、半处理）；市场供应（供应，包括地缘政治问题）价格。
电机的功率密度主要取决于所用材料的磁饱和度。如果磁饱和度值越大，则需要越少的材料来引导机器铁芯内的磁通，以达到相同的输出功率。磁性材料的矫顽力决定了材料的磁滞行为，从而决定了在机器中产生所需磁通所需的磁场强度。
因此，它与磁滞损耗和机器所需的绕组（通常以安培/匝数为单位）有关。上图概要介绍了电机中最常用的软磁材料在磁场强度和矫顽力方面的磁特性。
除了磁性值之外，材料的铁损也是机器设计中的一个关键因素。较低的铁损不仅能提高设备效率，还能减少设备所需的散热和冷却系统。
铁损的主要因素是磁化变化引起的磁滞损耗和导电磁性材料中感应电压引起的涡流损耗。磁滞损耗随频率和机器速度的增加而线性增加，而涡流损耗则随频率和机器速度的平方而增加。
典型软磁合金成分在1T感应和50Hz及400Hz工作频率下的铁损范围如上图所示。磁性材料的磁致伸缩与其磁晶各向异性有关。磁致伸缩会影响机器磁芯的振动，并可能产生明显的噪音和振荡。
因此，具有较大磁致伸缩特性的合金（如某些钴铁和铁基磁性材料）在电机应用中会产生不必要的噪音和振动。
磁致伸缩饱和磁化率在很大程度上取决于材料的化学成分，因此可以通过改变或添加不同的合金材料来控制。饱和磁化率低的材料往往磁致伸缩性也较低（如钴基非晶材料和80%镍铁）。
为了充分利用软磁材料的磁性和机械特性，通常会在电机铁芯组装过程之前或之后进行退火处理。上图列出了选定软磁材料的典型退火温度以及相应材料的居里温度。
如果退火在涂层工艺之后进行，则通常使用无机涂层来承受较高的退火温度。需要注意的是，软磁复合材料（SMC）通常不进行退火处理，因为高处理温度会破坏铁颗粒之间的绝缘。
电机用常规磁性材料的发展趋势
用于电机的典型磁性材料是厚度为0.2毫米至1毫米的层压材料，铁通常是材料成分中的主要元素。为了兼顾磁性能和机械特性，层压磁性材料通常由合金组成，包含铁、硅、铝、镍、钴、钒和其他金属。下面简要介绍一下电机应用中的典型材料。
CRML钢是一种碳含量很低的钢，其碳含量约为0.5%。碳含量为0.06%或更少。虽然通常被认为很少或没有额外的合金元素，但近年来开发的更高级钢种实际上可能含有硅、铝和其他添加元素。这些钢材具有非常好的饱和磁通密度和磁导率特性。
传统上，它们被认为具有最差的铁芯损耗特性，但仔细研究一下目前公认的标准就会发现，许多当代牌号的CRML钢的损耗特性与无取向硅钢相当。那些没有大量合金元素和磨料绝缘涂层的钢种可能有助于延长模具寿命，从而额外节省制造成本。
这些钢材在交付时，钢材生产商通常不会对其进行最终退火处理，通常会在层压制造后分批进行退火处理，并可能会涂覆一层绝缘氧化物涂层或其他涂层。
电机中最广泛使用的材料是含有一定量硅的铁合金。它有晶粒取向状态（即材料是各向异性的，在不同方向上具有不同的磁导率）和无取向状态（即在所有方向上几乎具有各向同性的磁性）。
电气变压器通常使用晶粒定向磁性材料，因为它们在铁芯支脚和磁轭中的磁通变化是单向的。相比之下，旋转电机主要使用无取向材料，因为磁通方向通常不是单向的，而是改变方向的（在定子磁轭和定子齿尖中旋转）。
在大型电机中，定子由多个磁轭部件组成，或者在研究新型电机制造技术和拓扑结构的研究项目中，也会使用晶粒取向硅铁材料。不过，目前绝大多数电机都是用无取向硅铁材料制造的。无取向硅铁钢是一种冷轧碳素钢，其硅含量约为1%至略高于3%。
以提供均匀的纵向（与晶粒）和横向（横跨钢的晶粒）磁性能。这种钢中的其他合金包括铝（Al）（最高含量为1%）和锰（Mn）（最高含量为0.5%）。硅会使铁的机械硬度增加，并提高电阻率。
铝对电阻率有类似的增加作用，但也会降低材料的磁导率。锰含量越高，晶粒越大，因此磁导率越高，但同时也会增加损耗。对于旋转机械而言，无取向硅钢在所有关键属性方面都具有良好甚至非常好的价值。
由于硅含量适中，它们的工具寿命较长，易于加工。无取向硅钢有"全加工"和"半加工"两种。全加工钢在交货前已在钢厂进行了最终退火和涂层处理；这些钢在冲压后可能需要二次"去应力退火"以恢复其磁性能。
半加工钢尚未在钢厂进行完全退火或涂层，需要在冲压层压后进行最终退火，通常称为"客户退火"；这一最终退火循环也用于形成表面氧化层，以进行绝缘。每种条件都有其卖点。全加工钢材可提供各种不同的绝缘涂层，并有多种等级和性能可供选择。
半加工材料的价格略低于全加工钢材。虽然可供选择的等级较少，但在冲压后退火周期中，可对其磁性能稍作调整，以提供各种特性。
目前SiFe钢的发展趋势主要集中在降低铁损方面，重点是提高基频，因为机器速度提高，驱动系统的时间谐波增加。发展趋势概述如下。
高硅含量无取向硅铁：开发高硅含量层压材料是为了提高材料的电阻率，从而减少涡流损耗。目前，这类层压材料的硅含量最高可达6.5%。
然而，高硅铁材料除了会降低最大磁通密度和磁导率外，另一个缺点是硅含量会使合金更脆、更硬，从而导致制造工艺和模具成本更加复杂和昂贵。要实现高硅含量，基本上有两种常用技术。
在现有的工业工艺中，可以通过JFE钢铁公司开发的两步工艺来实现。
首先，通过典型的冷轧工艺生产出传统的3%硅铁，然后在第二步中通过化学气相沉积（CVD）工艺掺入硅以增加硅含量。硅含量的分布可以在材料中均匀分布，也可以只在层压表面掺入较高含量的硅，而在中间掺入较低含量的硅。但必须注意的是，这种工艺需要消耗大量能源，因此会增加材料的成本。
提高无取向钢中硅含量（以及铝含量）的另一种方法是扩散退火。在这种工艺中，含硅量为3%的最终冷轧钢材会很快浸入铝硅熔池中。随后进行扩散退火，以改变钢的合金结构以及硅和铝的含量。
这种扩散也会改变材料的微观结构，从而影响磁性和机械性能。薄规格无取向硅铁：减少无取向硅铁钢涡流损耗的另一个趋势是减薄厚度。目前的趋势是厚度为0.1毫米至0.3毫米的2%至3%硅铁薄片，通常称为薄规格电工钢；常见的牌号名称为NOXX，其中XX表示厚度为0.XX毫米。
薄规格电工钢并不是一种新材料，在过去的七十五年中，许多钢材生产商一直在生产薄规格电工钢。但近年来，随着高性能电机和发电机对效率要求的提高，这类层压材料所能提供的优势已凸显出来。
虽然这些钢材及其层压材料在生产过程中面临着重大挑战，但当它们在频率远高于50赫兹或60赫兹的典型电源频率下工作时，其电气损耗确实会大大降低。
未来电机的非常规磁性材料应用方案设计
随着机器应用需求和特殊功能要求的不断增加，越来越多的非常规材料进入了专用电机的核心部件。这些材料包括非晶合金、纳米晶合金、铁基粉末或软磁复合粉末。通常情况下，这些材料的磁化率、磁导率和损耗曲线在按照公认标准进行测试时，可能无法与传统钢合金的特性进行很好的比较。
这就很难将它们与所述的传统机器层压材料进行比较。因此，对这些材料的描述只能是定性而非定量，尽量突出其一般特性以及在电机方面的优缺点。
非晶磁性材料（也称金属玻璃）的优点是铁损耗极低，因为其箔结构非常薄（厚度一般为0.025毫米），而且制造工艺成本低。非晶材料的生产通常采用熔融纺丝工艺，而不是典型的热轧和冷轧钢板成型工艺。
在这一单步工艺中，熔融合金成分被滴在一个快速旋转的内部冷却轮上，轮的温度受到控制。当熔融合金接触到冷轮表面时，通过快速冷却过程实现材料的无定形状态。这一淬火过程迅速固定了铁分子的位置，从而形成了无定形结构，材料中没有任何结晶秩序。
这种非结晶结构还会产生更高的电阻率，比典型的无取向硅铁钢高三倍左右。非晶材料的厚度和宽度受到制造过程中固有的重要冶金条件的限制。
纳米晶合金的微观结构特点是晶粒非常小，通常小于50纳米。从应用角度来看，纳米晶材料可被视为非晶合金的一种演变，具有许多共同点，如生产技术和几种定制磁性和机械性能的关键技术。
然而，由于精确控制了合金化学和冶金工艺，纳米晶合金显示出与Co-Fe非晶合金相当的优异软磁材料特性，但饱和极化更高（也高于1.2T）。
纳米晶体材料的冶金结构非常复杂，对这一主题的讨论远远超出了本研究的范围。但值得一提的是，铁基合金中包括硼、磷和硅等金属，以形成玻璃，以及贵金属（如铜、银、金等），作为铁磁纳米晶相的成核剂。
一种非常常见的纳米晶材料是两相FeCuNbSiB合金，其特点是在无定形的FeNdB内具有体心立方FeSi的超细晶粒结构（晶粒大小在10纳米到20纳米之间，具有随机纹理）。
通过比较选定软磁材料的矫顽力和磁导率，纳米晶材料可以成为高频应用的一种有趣解决方案，并可与Co基非晶合金和"更传统"的晶体合金竞争。
纳米晶材料的一个主要缺点是机械脆性，这使得在机器核心装配过程中难以处理。因此，市场上的纳米晶材料通常是即用型产品，如直径在10毫米到150毫米之间的环形磁芯。它们越来越多地用于生产高频变压器、共模扼流圈和接地故障断路器。
研究总结
本文介绍了目前和未来用于电机应用的创新和改良软磁材料这一高度活跃的领域。
随着材料选择范围的不断扩大，机器设计者有责任详细调查许多可用的钢材，这些钢材可能提供磁性或机械性能的最佳组合，以及可能影响非性能指标的成本和可用性限制，如新设计的上市时间或不同地理区域的机器制造成本。