高效電機(jī)選用硅鋼片的分析探究

        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(kāi)關(guān)和繼電器的鐵心。我國(guó)習(xí)慣上把硅鋼片分為熱軋和冷軋硅鋼片，而現(xiàn)行國(guó)際上，大多按晶粒取向分為無(wú)取向和晶粒取向硅鋼片兩大類。

        熱軋硅鋼片是磁性無(wú)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(wú)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(wú)硅鋼片，不同于原來(lái)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(wú)論是冷軋硅鋼片還是無(wú)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(wèn)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(jiàn)， 1.5kW電動(dòng)機(jī)中因無(wú)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(guò)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(cè)試，但在材料經(jīng)過(guò)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(chǎng)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(guó)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(wèn)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(guó)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(jiàn)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(wú)失效期，沖剪應(yīng)力遠(yuǎn)小于冷軋片。從表1上看，其低場(chǎng)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(wèn)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(guó)內(nèi)并沒(méi)有推廣，只是在小電機(jī)上采用過(guò)此工藝。

        歐洲小電機(jī)制造商曾采用無(wú)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(lái)恢復(fù)其原有性能。

        東莞電機(jī)試驗(yàn)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(jiàn)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(kāi)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。