高效電機(jī)用硅鋼片的選擇探討

發(fā)布時(shí)間：2017-05-22

通過對(duì)電機(jī)用硅鋼片電磁性能的對(duì)比分析，對(duì)高效電機(jī)硅鋼片的選擇和應(yīng)用進(jìn)行了研究探討，并通過試驗(yàn)及數(shù)據(jù)的分析，提出了高效電機(jī)用硅鋼片的選擇原則，為高效電機(jī)鐵心材料的選擇提供了參考。

電動(dòng)機(jī)損耗分布目前，高效電機(jī)已成為中小型電機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的主流，尤其是歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家對(duì)節(jié)約能源及環(huán)境保護(hù)非常關(guān)注，積極推行電動(dòng)機(jī)能效標(biāo)識(shí)行動(dòng)，通過政府出臺(tái)相關(guān)的財(cái)政優(yōu)惠政策，強(qiáng)制推動(dòng)高效電動(dòng)機(jī)的開發(fā)、應(yīng)用。為了擴(kuò)大電機(jī)國際市場的占有份額，采用新技術(shù)、新工藝、新材料，盡可能的提高電機(jī)效率，已成為我國電機(jī)制造商迫在眉睫的任務(wù)。

由于電動(dòng)機(jī)的損耗分布隨功率大小和極數(shù)的不同而變化，應(yīng)著重對(duì)不同功率和極數(shù)時(shí)的相關(guān)損耗分別采取措施，這其中導(dǎo)磁性材料的選擇尤為重要，對(duì)定子銅耗、鐵耗和其它性能影響較大，同時(shí)鐵心材料費(fèi)用又是構(gòu)成電動(dòng)機(jī)成本的主要部分，因此適合高效電機(jī)硅鋼片的選擇是設(shè)計(jì)和制造高效率電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵，應(yīng)加以慎重選取。

通過對(duì)電機(jī)用硅鋼片電磁性能的對(duì)比分析，對(duì)高效電機(jī)硅鋼片的選擇和應(yīng)用進(jìn)行了研究探討，并通過試驗(yàn)及數(shù)據(jù)的分析，提出了高效電機(jī)用硅鋼片的選擇原則，為高效電機(jī)鐵心材料的選擇提供了參考。

硅鋼片簡介硅鋼片又名電工鋼片,在鐵內(nèi)加入少量硅可以提高材料的電阻率并使磁老化顯著改善，材料的脆性增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度降低，因此硅的限度為4. 5%。硅鋼片主要用于工頻交流電磁器件中，如變壓器、電機(jī)、互感器開關(guān)和繼電器的鐵心。我國習(xí)慣上把硅鋼片分為熱軋和冷軋硅鋼片，而現(xiàn)行國際上，大多按晶粒取向分為無取向和晶粒取向硅鋼片兩大類。

熱軋硅鋼片是磁性無取向硅鋼片，屬硅鐵合金。與冷軋片相比具有材料穩(wěn)定性好、沖剪應(yīng)力遠(yuǎn)低于冷軋片、比重小、同板差較大等特點(diǎn)。而冷軋片屬低硅低碳合金，具有鐵損小、磁感高、表面光滑、厚度均勻、同板差小等特點(diǎn)。電機(jī)鐵心采用硅鋼片代替碳鋼板和純鐵，在歷史上是一個(gè)巨大的進(jìn)步，低損耗的硅鋼片改善了電機(jī)性能，縮小了電機(jī)體積?，F(xiàn)在用無硅鋼片代替硅鋼片的小型電機(jī)鐵心，是因?yàn)楝F(xiàn)代技術(shù)冶煉的無硅鋼片，不同于原來的低碳鋼板，它不但具有高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，而且具有與硅鋼片相近的鐵耗。無論是冷軋硅鋼片還是無硅鋼片，它的磁感應(yīng)強(qiáng)度和損耗對(duì)機(jī)械應(yīng)力都非常敏感，因此沖制后如何恢復(fù)其原有導(dǎo)磁性能和鐵損，是選用硅鋼片時(shí)應(yīng)考慮解決的問題。

高效電機(jī)硅鋼片的選取

高效電機(jī)硅鋼片的選擇不要只追求高牌號(hào)，鐵損低的，而事實(shí)上要綜合考慮，雖然牌號(hào)越高鐵損越低，但導(dǎo)磁能力會(huì)相對(duì)較差，而對(duì)于小型電機(jī)導(dǎo)磁能力尤為重要。如圖1所示1. 5kW、15kW、150kW三臺(tái)4極電動(dòng)機(jī)的空載電流與滿載電流的比值。從圖1中可見， 1. 5kW電動(dòng)機(jī)中因無功電流占定子電流的比例較大，因此空載電流(主要是磁化電流)在滿載電流中占了相當(dāng)大的比例，達(dá)到70%左右，隨著功率的增加，空載電流所占滿載電流的比例逐漸減小。因此對(duì)于功率較小的電機(jī)，定子銅耗所占總損耗的比例較大，應(yīng)優(yōu)先采用導(dǎo)磁性能好的電工鋼片做為定子鐵心，這樣可以大大降低激磁電流，明顯的改善鐵耗和定子銅耗。

而對(duì)于功率較大的電機(jī)，由于空載電流所占滿載電流的比例較小，鐵耗在總損耗中已占相當(dāng)大的比例，選用高導(dǎo)磁的硅鋼片，對(duì)于提高效率并不明顯，因此降低鐵心材料的單位損耗將有助于減少鐵耗。由于電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造的原因，電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的鐵耗大大超過按鋼廠提供的單位鐵損值所計(jì)算的數(shù)值，鐵耗增加的原因主要是鋼廠的單位鐵損值是按Ep2stein方法對(duì)條料試品進(jìn)行測試，但在材料經(jīng)過沖剪疊壓后，受到很大的應(yīng)力而使沖片的導(dǎo)磁性能惡化和鐵損增加，此外由于齒槽的存在引起氣隙齒諧波磁場在鐵心表面引起空載高頻損耗，這些都將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)產(chǎn)成后鐵耗顯著增加，因此除了選擇較低單位鐵損的磁性材料外，尚需控制疊片壓力和采取必要的工藝措施以降低鐵耗。
雖然早在2002 年底，國家提出要推廣冷軋片，即“以冷代熱”，但冷軋片的種種弊端(如冷軋片的失效期問題和對(duì)機(jī)械應(yīng)力的敏感)，對(duì)于高效電機(jī)的研制始終是個(gè)障礙。目前，國內(nèi)主要高效電機(jī)制造廠硅鋼片采用的是熱軋片，其牌號(hào)和相關(guān)電磁性能見表1 (此性能頻率為50Hz) 。該牌號(hào)硅鋼片屬高硅高碳、密度小、重量輕、材料穩(wěn)定性好，基本無失效期，沖剪應(yīng)力遠(yuǎn)小于冷軋片。從表1上看，其低場磁性并不是很好，但對(duì)于高效電機(jī)而言已經(jīng)足夠了，因?yàn)楦咝щ姍C(jī)定子磁密在1. 0T～1. 5T之間，轉(zhuǎn)子磁密在1. 0T～1. 6T之間。
如果采用冷軋片，要充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，必須解決其沖剪后的機(jī)械應(yīng)力問題，解決冷軋片沖剪應(yīng)力理論上的方法很多，其中最有效方法是選擇合理的退火工藝。但目前，該項(xiàng)工藝因受設(shè)備和工藝參數(shù)的限制，在國內(nèi)并沒有推廣，只是在小電機(jī)上采用過此工藝。

歐洲小電機(jī)制造商曾采用無硅鋼片，雖然具有高的磁感應(yīng)強(qiáng)度和與硅鋼片相近的鐵耗，但是，它的磁感應(yīng)強(qiáng)度和鐵耗對(duì)機(jī)械應(yīng)力很敏感,需要采取合理的工藝來恢復(fù)其原有性能。

根據(jù)理論介紹和其它電機(jī)廠家的試驗(yàn)參數(shù)，結(jié)合家電出口產(chǎn)品，我們也進(jìn)行了該項(xiàng)工藝的模擬嘗試，由于設(shè)備限制，我們只是將沖剪后的硅鋼片放在加熱爐里，500℃保溫了2小時(shí)。結(jié)果表明，退火后硅鋼片的導(dǎo)磁性能恢復(fù)較好,鐵耗有明顯的改善，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

決定高效電機(jī)效率的因素

高效電機(jī)效率實(shí)現(xiàn)程度，與原材料的選擇密切相關(guān)，尤其是導(dǎo)磁性材料。高效電機(jī)主要就是圍繞如何降低各項(xiàng)損耗展開工作,而包括鐵耗、定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、雜耗的設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值的偏離多少，完全取決于硅鋼片的選擇恰當(dāng)與否和鐵心制造的質(zhì)量。