萨尔兰大学的研究人员近日开发出一种用于电动汽车电机部件的新型富铁非晶合金。这项历时四年的研究成果有望帮助电动车降低能耗并延长运行时间。

该合金通过消除导致传统软磁材料内部摩擦和热量积聚的晶体微观结构，降低了再磁化损耗。萨尔兰大学团队的工作重点是用含铁量70%至80%的金属玻璃，替代目前定子和转子中使用的粗晶粒晶体铁合金。

“我们正在研究通过改进电机中使用的材料来降低这些效率损耗，”Ralf Busch教授表示。“当今电机中的定子和转子部件是由传统的软磁性粗晶粒铁合金制成的。尽管这些合金已经过优化，但在反复磁化过程中仍表现出相对较高的磁滞损耗。”

在传统电机中，当磁场反复反转并迫使微观磁畴在晶格内重新取向时，损耗会增加。这就会产生磁滞损耗——一种过度的能量损失。相比之下，非晶态材料中不存在微晶体，这使得磁畴能够更自由地重新取向，从而降低了铁损和发热。

“当微晶尺寸极小，即呈纳米晶结构，或者完全不存在晶体结构，即材料呈玻璃状或非晶态时，损耗会急剧下降，”Busch补充道。“我们希望用非晶态、玻璃状的合金来替代这些传统的晶体合金，因为它们在再磁化过程中几乎不损失任何能量。”

该团队通过激光粉末床熔融工艺加工这些材料，形成约50微米厚的层，最终制成完全非晶态的电机部件。这项技术现在已能精确控制冷却速率，使得材料在形成晶体结构前凝固，从而制造出无晶体结构的复杂金属部件。

研究团队筛选了数百种合金，以找到同时满足非晶形成能力、磁性能以及3D打印兼容性的材料。该团队确定了三种能抵抗结晶化，同时满足增材制造和电机使用要求的合金成分，使得打印完全非晶态的电机部件成为可能。

该工艺还无需使用高性能电机材料中常见的钴和其他关键合金元素。潜在应用范围涵盖电动滑板车、无人机以及其他小型电动车和设备，这些领域都能从显著的效率提升中受益。

“现在的挑战是发展这一工艺，使其在实际工业规模应用中可靠工作，”Matthias Nienhaus教授总结道。目前的工作重点在于完善L-PBF工艺参数并开发新的制造方法，以使该技术更接近工业化。

这项工作在AM2SoftMag项目下进行，该项目通过欧洲创新委员会的“欧洲地平线探路者开放计划”获得了350万欧元的资金。该联盟最初于2022年由伊莎贝拉·加里诺教授在萨尔兰大学牵头建立。

磁性部件的工业级3D打印由德国的Heraeus AMLOY Technologies公司负责。学术合作伙伴包括马德里IMDEA材料基金会、都灵INRIM以及华沙AMAZEMET的专家。

减少电机中的能量损耗，正处于电气化、可持续发展目标和工业竞争力的交汇点。萨尔兰大学的研究着眼于能量损耗背后的物理机制，用不会在磁翻转过程中产生热量的结构取代了产生热量的晶体金属结构。