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高效电机用硅钢片的选择探讨

发布时间:2017-05-22

 

通过对电机用硅钢片电磁性能的对比分析,对高效电机硅钢片的选择和应用进行了研究探讨,并通过试验及数据的分析,提出了高效电机用硅钢片的选择原则,为高效电机铁心材料的选择提供了参考。

电动机损耗分布目前,高效电机已成为中小型电机发展和应用的主流,尤其是欧美等工业发达国家对节约能源及环境保护非常关注,积极推行电动机能效标识行动,通过政府出台相关的财政优惠政策,强制推动高效电动机的开发、应用。为了扩大电机国际市场的占有份额,采用新技术、新工艺、新材料,尽可能的提高电机效率,已成为我国电机制造商迫在眉睫的任务。

由于电动机的损耗分布随功率大小和极数的不同而变化,应着重对不同功率和极数时的相关损耗分别采取措施,这其中导磁性材料的选择尤为重要,对定子铜耗、铁耗和其它性能影响较大,同时铁心材料费用又是构成电动机成本的主要部分,因此适合高效电机硅钢片的选择是设计和制造高效率电动机的关键,应加以慎重选取。


通过对电机用硅钢片电磁性能的对比分析,对高效电机硅钢片的选择和应用进行了研究探讨,并通过试验及数据的分析,提出了高效电机用硅钢片的选择原则,为高效电机铁心材料的选择提供了参考。


硅钢片简介硅钢片又名电工钢片,在铁内加入少量硅可以提高材料的电阻率并使磁老化显著改善,材料的脆性增加,磁感应强度降低,因此硅的限度为4. 5%。硅钢片主要用于工频交流电磁器件中,如变压器、电机、互感器开关和继电器的铁心。我国习惯上把硅钢片分为热轧和冷轧硅钢片,而现行国际上,大多按晶粒取向分为无取向和晶粒取向硅钢片两大类。

热轧硅钢片是磁性无取向硅钢片,属硅铁合金。与冷轧片相比具有材料稳定性好、冲剪应力远低于冷轧片、比重小、同板差较大等特点。而冷轧片属低硅低碳合金,具有铁损小、磁感高、表面光滑、厚度均匀、同板差小等特点。电机铁心采用硅钢片代替碳钢板和纯铁,在历史上是一个巨大的进步,低损耗的硅钢片改善了电机性能,缩小了电机体积。现在用无硅钢片代替硅钢片的小型电机铁心,是因为现代技术冶炼的无硅钢片,不同于原来的低碳钢板,它不但具有高的磁感应强度,而且具有与硅钢片相近的铁耗。无论是冷轧硅钢片还是无硅钢片,它的磁感应强度和损耗对机械应力都非常敏感,因此冲制后如何恢复其原有导磁性能和铁损,是选用硅钢片时应考虑解决的问题。

高效电机硅钢片的选取

高效电机硅钢片的选择不要只追求高牌号,铁损低的,而事实上要综合考虑,虽然牌号越高铁损越低,但导磁能力会相对较差,而对于小型电机导磁能力尤为重要。如图1所示1. 5kW、15kW、150kW三台4极电动机的空载电流与满载电流的比值。从图1中可见, 1. 5kW电动机中因无功电流占定子电流的比例较大,因此空载电流(主要是磁化电流)在满载电流中占了相当大的比例,达到70%左右,随着功率的增加,空载电流所占满载电流的比例逐渐减小。因此对于功率较小的电机,定子铜耗所占总损耗的比例较大,应优先采用导磁性能好的电工钢片做为定子铁心,这样可以大大降低激磁电流,明显的改善铁耗和定子铜耗。


而对于功率较大的电机,由于空载电流所占满载电流的比例较小,铁耗在总损耗中已占相当大的比例,选用高导磁的硅钢片,对于提高效率并不明显,因此降低铁心材料的单位损耗将有助于减少铁耗。由于电动机设计和制造的原因,电动机试验的铁耗大大超过按钢厂提供的单位铁损值所计算的数值,铁耗增加的原因主要是钢厂的单位铁损值是按Ep2stein方法对条料试品进行测试,但在材料经过冲剪叠压后,受到很大的应力而使冲片的导磁性能恶化和铁损增加,此外由于齿槽的存在引起气隙齿谐波磁场在铁心表面引起空载高频损耗,这些都将导致电动机产成后铁耗显著增加,因此除了选择较低单位铁损的磁性材料外,尚需控制叠片压力和采取必要的工艺措施以降低铁耗。
虽然早在2002 年底,国家提出要推广冷轧片,即“以冷代热”,但冷轧片的种种弊端(如冷轧片的失效期问题和对机械应力的敏感),对于高效电机的研制始终是个障碍。目前,国内主要高效电机制造厂硅钢片采用的是热轧片,其牌号和相关电磁性能见表1 (此性能频率为50Hz) 。该牌号硅钢片属高硅高碳、密度小、重量轻、材料稳定性好,基本无失效期,冲剪应力远小于冷轧片。从表1上看,其低场磁性并不是很好,但对于高效电机而言已经足够了,因为高效电机定子磁密在1. 0T~1. 5T之间,转子磁密在1. 0T~1. 6T之间。
如果采用冷轧片,要充分发挥其优点,必须解决其冲剪后的机械应力问题,解决冷轧片冲剪应力理论上的方法很多,其中***有效方法是选择合理的退火工艺。但目前,该项工艺因受设备和工艺参数的限制,在国内并没有推广,只是在小电机上采用过此工艺。

欧洲小电机制造商曾采用无硅钢片,虽然具有高的磁感应强度和与硅钢片相近的铁耗,但是,它的磁感应强度和铁耗对机械应力很敏感,需要采取合理的工艺来恢复其原有性能。

根据理论介绍和其它电机厂家的试验参数,结合家电出口产品,我们也进行了该项工艺的模拟尝试,由于设备限制,我们只是将冲剪后的硅钢片放在加热炉里,500℃保温了2小时。结果表明,退火后硅钢片的导磁性能恢复较好,铁耗有明显的改善,试验结果见表2。

决定高效电机效率的因素

高效电机效率实现程度,与原材料的选择密切相关,尤其是导磁性材料。高效电机主要就是围绕如何降低各项损耗展开工作,而包括铁耗、定子铜耗、转子铜耗、杂耗的设计值与试验值的偏离多少,完全取决于硅钢片的选择恰当与否和铁心制造的质量。

 
 
 
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