电机自诞生以来伴随带着功率和散热的问题，体积小、功率大的电机一直是人类追求的理想结构，但受制于技术和材料，功率越大的电机意味着更大的体积。近几年新能源行业飞速发展，各大企业都在致力于提高电机功率密度，今年3月，广汽埃安发布夸克电驱技术，解决了电机功率和体积不可兼容的难题，电机功率密度达到行业平均水平的双倍：12kw/kg。其中一项重要的技术便是纳米晶-非晶铁芯。

一、当代电机的问题

我们拿现代新能源汽车中最常用的永磁电机为例，其中，电机最主要的结构为定子和转子。定子由若干绕组组成，电控通过控制定子中绕组的电流产生旋转磁场来控制转子运动。由此带来了两个问题。1、电磁在铁芯传输时会产生铁耗，电机功率越大损耗越大；2、损耗发热需冷却处理，而冷却速度受制于传统铁基硅钢的导热性能，增强散热能力只能增大散热体积。可见，在电机设计时，提高电机效率和能量密度主要受制于这两个因素。所以，夸克电驱则围绕着这两个问题开展相关技术创新。

二、非晶材料

2.1  非晶材料的形成

金属在熔化后，内部原子处于活跃状态。一旦金属开始冷却，原子就会随着温度的下降，而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶体。但如果冷却过程很快，原子还来不及重新排列就被凝固住了，就产生了非晶体。非晶态合金是具有非晶体原子结构的金属合金。

非晶合金材料与普通金属材料的原子结构区别，右为非晶合金材料

制备非晶态合金采用的正是一种快速凝固的工艺。将处于熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上。钢水以每秒百万度的速度迅速冷却，仅用千分之一秒的时间就将1300℃的锅水降到200℃以下，形成非晶带材。非晶带材厚度一般控制在0.02～0.03mm之间，可实现在线卷带。工艺过程图如下所示：

2.2  非晶材料的特点

非晶态合金与晶态合金相比，在物理性能、化学性能和机械性能方面都发生了显著的变化。以铁元素为主的非晶态合金为例，它具有高饱和磁感应强度和低损耗的特点。但非晶合金材料也有不可忽视的缺点；硬度过高且极其脆，不容易加工和切割；厚度仅为0.03mm，填充系数低；对机械应力也非常敏感，从而使它的应用带来困难。

三、非晶材料的在电机上的应用

因为非晶材料这样一系列优良特性，国内外均对其开展了系统性的理论与应用研究，在电子、航空、航天、机械、微电子等众多领域中具备了广阔的应用空间。非晶电机的研发始于上世纪90年代初，1996年美国的Light Engineering，Inc.（LE公司）成功将非晶材料应用到电机上并实现产业化，但在电机领域的应用还处于起步阶段。也正是由于非晶材料这样的特性，将其应用于电机产品成为国内外的一大课题。

3.1 非晶材料的电机特点

与传统材料电机相比，非晶电机具有卓越性能和优势。下表以DW47和Metglus2605SAl为例列出了硅钢片与非晶材料定子铁心的不同特性。

通过对比，很容易推断出非晶电机的优势：

（1）高效节能

由于非晶合金材料的低损耗特性，使得采用该材料作为铁心制造的电机铁耗比传统硅钢片铁心电机小得多。非晶态合金材料在中高频下的损耗只相当于普通硅钢片的1/8~1/10，而且频率越高趋势越明显。所以非晶电机的效率比传统电机要高，特别应用于中高频场合，电机运行效率可以高出5%以上，节能效果非常明显。

（2）功率密度和扭矩密度大

电机电能转换的功率P与下列三个参数成正比：a）磁场的磁通量；b）线圈的安匝数A；c）前两者的感应电磁频率f

PαφAf

磁通量 φ= BS，其中S为磁路的有效截面积，B为设计的磁通密度。在磁路尺寸和磁路材料确定后，φ的数值就已确定。线圈的安匝数A取决于安装线圈的实际空间和冷却条件，也就是取决于电机的实际尺寸。可见，电磁频率f越高，相同尺寸的电机（即φA不变）具有较高的功率，换言之，相同功率、相同转速下的电机体积和重量越小，高频化可以使电机的功率密度或者转矩密度提高。

3.2 埃安纳米晶-非晶超效电机

在绝大多的永磁电机中，定子的材料为铁基、硅钢材料制成，由于其散热特点，在电机高功率运行时，发热会超过散热的速度，导致电机极易过温，故为了使电机有较好的性能输出，电机体积于功率一直是难以平衡的问题。这次埃安的新技术纳米晶-非晶材料，其散热速度可以达到100万℃/s，比铁基硅钢材料快出了1000倍，具有原子无序排列、无晶界、无晶粒的围观特性。使用此材料电机工况效率达到了97.2%，最高效率达到了98.5%。而目前一般电动机的平均效率为87%，国际先进水平的电动机为92%。

新型合金材料的出现意味着在同等功率下新材料的电机可以变得更小。应用此材料，夸克电驱实现了较小体积，较大功率。主流电驱的体积为5.5L，而夸克电驱的体积达到了2.65L，仅为主流电驱的二分之一。

在中汽研的测试数据中我们可以看出，夸克电驱最大实现260kw的功率，21.5kg的轻重量，2.65L的小体积，与12kw/kg的高功率密度，与此同时，其电机的综合效率竟然高达97.2%。

3.3 非晶材料的在电机应用前景

理论上用非晶材料做成定子铁心的非晶电机运行效率可达95%以上，最高可达98%。特别是在一些中高频的应用场合，传统硅钢片电机效率很低，而非晶电机的运行效率也在90%以上，所蕴含的节能潜力非常可观，这就为非晶材料在高效电机上的应用提供了广阔的舞台。

高效永磁同步电机已广泛应用于多种领域，因为具有高效率、高精度的控制性等特点，从自动化的运输操作系统到电动汽车的动力系统设计都得到了广泛的应用。

然而许多领域-如电动汽车用永磁电机需要设计成扁平结构，这样盘式永磁电机必须设计成多级，电机调速范围需要达到2000~6000r/min，由此导致电机的高顺率，会造成铁磁材料的损耗的急剧增加，使得电机效率降低，给冷却系统的设计带来很大的难度。而用非晶材料制作的盘式永磁电机，则可以很大程度上减少电机的高频铁耗，提高电机效率，优化冷却系统设计，非晶材料的应用较好的解决了永磁电机在电动汽车领域应用的瓶颈问题。

四、非晶纳米晶磁芯产业链

非晶纳米晶磁芯是由纳米晶带材通过剪切、叠装、固定成型及磁场热处理等几个环节制成，可以分为铁基非晶纳米晶磁芯、钴基非晶纳米晶磁芯等。

非晶纳米晶磁芯是一种新兴的软磁功能磁性材料，因具有高磁导率、高饱和磁感应强度、低损耗的特点，正成为增长最快的软磁材料。

非晶纳米晶磁芯广泛应用于无线充电模块、新能源汽车电机等领域。近年来在无线充电、新能源汽车等下游产业的推动下，我国非晶纳米晶磁芯需求呈快速增长态势，2021年行业市场规模增至17.3亿元，2022年约为19.74亿元。

不过，我国非晶纳米晶磁芯行业起步较晚，发展仍然面临着一些问题：首先是上游原材料短缺，所需要的非晶纳米晶带材由日立金属为首的日本企业占据大部分市场份额，国内非晶纳米晶带材原材料企业安泰科技、云路股份供应量有限，原材料需要进口满足国内市场需求。

其次，国内非晶纳米晶磁芯企业生产技术相比国外企业差距较大，国内企业主要集中在中低端产品市场，高端产品市场被国外企业占据。

我国非晶纳米晶磁芯行业近十几年来不断发展，已经诞生了诸如云路股份、扬电科技、中岳非晶等众多非晶纳米晶磁芯相关企业，技术不断得到突破的同时，在非晶纳米晶磁芯市场上占据的份额也越来越大，在国际市场上的竞争力也越来越强。但是，非晶纳米晶磁芯行业在高端技术领域仍有待于进一步突破。同时，我国非晶纳米晶软磁材料生产工艺尚不稳定，成材率有待提高。并且生产设备的核心部件仍需进口，产品质量和性能与国际先进水平还存在一定差距，行业技术创新能力有待于进一步提高。

随着新材料行业的不断发展，非晶纳米晶磁芯行业面临的市场竞争日趋激烈。西方发达国家，尤其是美国、日本、德国的非晶纳米晶磁芯技术研究起步较早，在技术研发、工业生产、质量控制、上下游渠道、品牌建设等方面都拥有较为成熟的经验体系，中国市场也是众多国际企业觊觎的竞争场地，国外品牌的介入或将对本土品牌产生一定的威胁。

我国的电磁兼容标准已全面实施，只要在中国销售的所有电器及设备需符合3C电磁兼容标准，所有设备都必须有滤波装置及电路。其中，非晶纳米晶磁芯高磁导率和低损耗的特性，成为高频滤波器及电感的首选材料。以汽车电子为例：近年来我国为了实现在汽车产业弯道超车，大力推行新能源汽车，随着汽车电子化的趋势，车内的电磁兼容要求也日益提高，动力控制系统，车载信息娱乐系统，汽车安全控制系统和车身电子系统（新能源电池、雷达、声波、防撞系统、信号接收及发放），还有EV控制器、直流电子镇流器、电机控制器、DC/DC变换器、车载充电机、车载空调以及周边配套的充电桩，这些部件所需要的被动元件逐渐采用以非晶纳米晶材质制成。因此，我国非晶纳米晶磁芯市场潜力巨大。

参考文章：

【1】埃安夸克电驱让电驱行业进入“3纳米”时代！如何做到？Ai车说car，，2023-03-05 11:28广东汽车领域创作者

【2】埃安全新一代高性能集成电驱“夸克”解析  小智 RIO电驱动 2023-03-04 。

【3】非晶纳米晶磁芯行业报告：产业链全景、发展环境及未来趋势预测（智研咨询发布） 智研咨询 智研产业研究院 2023-06-19 。

汽车材料网整理

注：本文版权归原作者所有，文中观点仅供分享交流，不代表本公众号观点和立场。如涉及版权等问题，请您告知，我们将及时处理。