高效電機用硅鋼片的選擇探討

發(fā)布時間：2017-05-22

通過對電機用硅鋼片電磁性能的對比分析，對高效電機硅鋼片的選擇和應用進行了研究探討，并通過試驗及數(shù)據(jù)的分析，提出了高效電機用硅鋼片的選擇原則，為高效電機鐵心材料的選擇提供了參考。

電動機損耗分布目前，高效電機已成為中小型電機發(fā)展和應用的主流，尤其是歐美等工業(yè)發(fā)達國家對節(jié)約能源及環(huán)境保護非常關(guān)注，積極推行電動機能效標識行動，通過政府出臺相關(guān)的財政優(yōu)惠政策，強制推動高效電動機的開發(fā)、應用。為了擴大電機國際市場的占有份額，采用新技術(shù)、新工藝、新材料，盡可能的提高電機效率，已成為我國電機制造商迫在眉睫的任務。

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

通過對電機用硅鋼片電磁性能的對比分析，對高效電機硅鋼片的選擇和應用進行了研究探討，并通過試驗及數(shù)據(jù)的分析，提出了高效電機用硅鋼片的選擇原則，為高效電機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，磁感應強度降低，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、互感器開關(guān)和繼電器的鐵心。我國習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、沖剪應力遠低于冷軋片、比重小、同板差較大等特點。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。電機鐵心采用硅鋼片代替碳鋼板和純鐵，在歷史上是一個巨大的進步，低損耗的硅鋼片改善了電機性能，縮小了電機體積?，F(xiàn)在用無硅鋼片代替硅鋼片的小型電機鐵心，是因為現(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強度，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，它的磁感應強度和損耗對機械應力都非常敏感，因此沖制后如何恢復其原有導磁性能和鐵損，是選用硅鋼片時應考慮解決的問題。

高效電機硅鋼片的選取

高效電機硅鋼片的選擇不要只追求高牌號，鐵損低的，而事實上要綜合考慮，雖然牌號越高鐵損越低，但導磁能力會相對較差，而對于小型電機導磁能力尤為重要。如圖1所示1. 5kW、15kW、150kW三臺4極電動機的空載電流與滿載電流的比值。從圖1中可見， 1. 5kW電動機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大的比例，達到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。因此對于功率較小的電機，定子銅耗所占總損耗的比例較大，應優(yōu)先采用導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。

而對于功率較大的電機，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大的比例，選用高導磁的硅鋼片，對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。由于電動機設(shè)計和制造的原因，電動機試驗的鐵耗大大超過按鋼廠提供的單位鐵損值所計算的數(shù)值，鐵耗增加的原因主要是鋼廠的單位鐵損值是按Ep2stein方法對條料試品進行測試，但在材料經(jīng)過沖剪疊壓后，受到很大的應力而使沖片的導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，這些都將導致電動機產(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機械應力的敏感)，對于高效電機的研制始終是個障礙。目前，國內(nèi)主要高效電機制造廠硅鋼片采用的是熱軋片，其牌號和相關(guān)電磁性能見表1 (此性能頻率為50Hz) 。該牌號硅鋼片屬高硅高碳、密度小、重量輕、材料穩(wěn)定性好，基本無失效期，沖剪應力遠小于冷軋片。從表1上看，其低場磁性并不是很好，但對于高效電機而言已經(jīng)足夠了，因為高效電機定子磁密在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，必須解決其沖剪后的機械應力問題，解決冷軋片沖剪應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，只是在小電機上采用過此工藝。

歐洲小電機制造商曾采用無硅鋼片，雖然具有高的磁感應強度和與硅鋼片相近的鐵耗，但是，它的磁感應強度和鐵耗對機械應力很敏感,需要采取合理的工藝來恢復其原有性能。

根據(jù)理論介紹和其它電機廠家的試驗參數(shù)，結(jié)合家電出口產(chǎn)品，我們也進行了該項工藝的模擬嘗試，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。結(jié)果表明，退火后硅鋼片的導磁性能恢復較好,鐵耗有明顯的改善，試驗結(jié)果見表2。

決定高效電機效率的因素

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