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(guó)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(guò)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(kāi)發(fā)、應(yīng)用。為了擴(kuò)大電機(jī)國(guó)際市場(chǎng)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(guó)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(guò)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(guò)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。

現(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。

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(jiàn)表2。

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。

審核編輯 ：李倩