1、新材料前沿知識論文新型電工鋼材料及其高效電機中的應(yīng)用學(xué)生姓名系（部） 電氣信息工程系專 業(yè)學(xué) 號指導(dǎo)教師2011年06月04日遵照節(jié)能、節(jié)省資源和保護(hù)地球環(huán)境的要求，包括高效電機在內(nèi) 不同類型的電機都已經(jīng)見到關(guān)于節(jié)能和高性能方面日益強硬的要求。 這也在有力地摧促作為這類電機鐵心材料的具有高磁性無取向電工 鋼的發(fā)展，并最近在這方面已有了很大進(jìn)展。為了進(jìn)一步改善電機的 性能，在鐵心心材料的選用和材料設(shè)計上如何適應(yīng)于每一種電機的特 點，以及為使用鐵心材料而采用哪些優(yōu)化技術(shù)都將變得越來越重要 了。本文敘述一些采用模型無刷直流電機和感應(yīng)電機來評價電工鋼的技 術(shù)，以確保電工鋼的最佳應(yīng)用以及改善高效電機的效

2、率。并涉及到了 新型電工鋼的基本知識。關(guān)鍵詞：鐵心材料無取向電工鋼基本知識AbstractCompliance with energy efficiency, saving resources and protecting the global environment requirements, including high efficiency motors and other different types of motors have been seen on the increasingly tough energy efficiency and performance charact

3、eristics. This also effectively urges the motor core to promote a kind of magnetic materials with high development of non-oriented electrical steel, and recently has seen great progress in this field. To further improve the performance of the motor, the selection of core materials in the core design

4、ing and materials to adapt to the characteristics of each motor, and the core material for the use of the optimized use of technology will become increasingly important.This paper describes some of brushless DC motor and using models to evaluate the electrical steel induction motor technology to ens

5、ure the best application of electrical steel and to improve the efficiency of the motor efficiency. And relate to the new basic knowledge of electrical steel.Key wordsCore material Non-oriented electrical steel Basics knowledge一、新型電工鋼材料概述 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark24 o Current Document （一）電工

6、鋼基本知識6 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document （二）電工鋼的分類6（三）新型電工硅鋼片性能指標(biāo)7 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 二、電工鋼的技術(shù)的應(yīng)用8. HYPERLINK l bookmark44 o Current Document （一）應(yīng)用領(lǐng)域8 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document （二）采用模型電機對電工鋼進(jìn)行評價8 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 三、電工鋼的新需求及發(fā)展展望9

7、.參考文獻(xiàn)H.致謝12.近來，已經(jīng)開發(fā)出各類性能得以較大改善的無取向電工鋼， 而且在高效電機上付諸實用以應(yīng)對在該領(lǐng)域里既要求高性能又要求 節(jié)能的這類近乎苛刻的需求。為了查明實現(xiàn)高性能的條件，已經(jīng)進(jìn) 行了就鐵心材料電工鋼的磁性對直流無刷電機和感應(yīng)電機性能影響 的研究。在一種三相感應(yīng)電機上使用高磁通密度的NA鐵心已經(jīng)獲得 提高0. 5%的高效。而集中卷繞型無刷直流電機的效率估計會更高。 由于它在400Hz時的鐵心材料鐵損低的緣故。通過使用低鐵心損耗、 高磁通密度的電工鋼JNE，已獲得比用常規(guī)電工鋼材料制作的等效轉(zhuǎn) 矩一樣的此類電機的效率高0. 5O. 1%左右。一、新型電工鋼材料概述.（一）電工鋼

8、基本知識電工鋼亦稱硅鋼片，是電力、電子和軍事工業(yè) 不可缺少的重要軟磁合 金，亦是產(chǎn)量最大的金屬功能材料，主要用作 各種電機、發(fā)電機和變壓器 的鐵心。它的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，制造技術(shù)嚴(yán)格，國外的生產(chǎn)技術(shù)都以專利形式 加以保護(hù)，視為企業(yè)的生命。流器鐵芯，是電力、電子和 在磁性材料中用量最大，也電工鋼已有上 百年的歷史，電工鋼包括Si0.05及0.1mm厚3%Si 冷軋取向硅鋼 薄帶，用作中、高頻電機和變壓 器以及脈沖變壓器等；繼電 器和電力開關(guān)用的0.7mm厚3%Si高強度冷軋無取向硅鋼板；新型高轉(zhuǎn)速電 機轉(zhuǎn)子用的高強度冷軋電工鋼板；醫(yī)用核磁共振斷層掃描儀等磁屏蔽和高 能加速器電磁 鐵用的低碳電工鋼熱軋

9、厚板和冷 軋板；高頻電機和變壓器以 及磁屏蔽用的4.5%6.5%Si高硅鋼板等。性能及用途：由于二者性能特點不同，在使用 方向上存在差異冷軋無 取向硅鋼片最主要的用途是用于發(fā)電機制造，故又稱冷軋電機硅鋼。冷軋取向硅鋼帶最主要的用途是用于變壓器制造，所以又稱冷軋變壓器硅鋼。.（三）新型電工硅鋼片 性能指標(biāo)：A、 鐵損低。質(zhì)量的最重要指標(biāo)，世界各國都以鐵損值劃分牌號，鐵損 越低，牌號越高，質(zhì)量也高。B、磁感應(yīng)強度高。在相同磁場下能獲得較高 磁感的硅鋼片，用它制造 的電機或變壓器鐵芯的體積和重量較小，相對而言可節(jié)省硅鋼片、銅線和 絕緣材料等。C、疊裝系數(shù)高。硅鋼片表面光滑，平整和厚度 均勻，制造鐵芯

10、的疊裝 系數(shù)提高。D、沖片性好。對制造小型、微型電機鐵芯，這點更重要。E、表面對絕緣膜的附著 性和焊接性良好，能防蝕和改善 沖片性。F、磁時效現(xiàn)象小二、電工鋼技術(shù)的應(yīng)用（一）應(yīng)用領(lǐng)域1高速電機功率為1. 2KW，轉(zhuǎn)速4000r / min的三相異步電機。為了比較不同硅鋼板的鐵損特 性，日本島津制作所使用65RB、80RB兩種高硅硅鋼板及50A400、35A300兩種 無取向硅鋼板制作4種規(guī)格電機。由于將各鐵芯的鐵耗作為研究重點，特性試驗 采用沒有時間高次諧波影響的正弦波電源，頻率在不大于300Hz:的范圍內(nèi)進(jìn)行。 在各頻率下進(jìn)行空載試驗。端電壓自2倍額定電壓緩慢降低，測定其電流和輸入 功率，由

11、輸入功率減去定子銅耗和機械耗得出鐵耗。在熱軋后退火處理的80RB高硅鋼板比一般50A400的硅鋼的鐵損低40%，比 35A300低20%。而不進(jìn)行退火處理的65RB高硅鋼板的鐵損在工頻范圍也比 50A400低，但在高頻范圍，則和35A300大致相當(dāng)?shù)摹Ｒ虼?，從降低鐵耗、提高效 率來看，高硅鋼板的退火處理是很重要的。另外，對于65RB硅鋼板，雖然鐵耗 大一些，但因為它有很高的機械強度，能承受超高速下的超大離心力，適宜于作 為超高速電機的轉(zhuǎn)子零件。NKK把這種高硅電工鋼的使用瞄準(zhǔn)在電動機車上，如果電動機車仍靠電池充電作 為動力的話，那么，減少電源損失是十分重要的。2變壓器將3%si的取向硅鋼片放置

12、在疊片鐵芯厚度方向上的中間部位上，其兩側(cè)所疊放 的鐵芯是6. 5%si的硅鋼片，共同組成了鐵芯。并且該鐵芯的鐵芯柱截面中6. 5% si的硅鋼片所占的比率比軛部要大一些。該鐵芯的結(jié)構(gòu)可使50H和60H基本周波成分由取向硅鋼承受大部分，而高周波成 分由6. 5%si的硅鋼片所承受。因此，在鐵芯柱漏損的高周波磁通量占主磁通量 中的高周波成分比率變得很小，那么軛部與鐵芯柱的磁通波形成不平衡得以消 解，噪音（變壓器鐵芯產(chǎn)生的噪音是在磁力循環(huán)中由鐵芯片持續(xù)脹縮引起的，即 交流磁致伸縮現(xiàn)象）大幅度降低，例如，在逆變器電源用變壓器中，可達(dá)到20 30db的低噪音。故，用6. 5%Si的硅鋼片制作的鐵芯可以實

13、現(xiàn)小型化。6. 5%si電工鋼這種具有低損耗、低噪音的軟磁材料可使電氣電子設(shè)備小型化、 高速化。為了克服高硅電工鋼板脆性大的不利因素，近年來，通過添加第三元素 （竦、猛、鋁）來改善其加工性能的研究，已取得了一定的效果。（二）采用模型電機對電工鋼進(jìn)行評價鐵心材料對感應(yīng)電機效率的影響先前已經(jīng)采用正弦波電壓對一臺單相感應(yīng)電機 驅(qū)動和對一臺變頻驅(qū)動的三相感應(yīng)電機做了研究。對這兩種類型的電機而言，諸 如要想獲得最高電機效率所對應(yīng)的硅含量這樣的最佳材料條件強烈地取決于諸 如轉(zhuǎn)速和磁通密度這些電機設(shè)計條件。而對于無刷直流電機而言，鐵心材料所要 求的最佳性能恰恰又都是不相同的了，換言之，因為無刷直流電機的銅損

14、 遠(yuǎn)比同尺寸的感應(yīng)電機要少。進(jìn)一步的研究是使用了新近開發(fā)出來的高效電工鋼而得到了無刷直流電機和感 應(yīng)電機的相關(guān)特點，以及電機性能同材料磁性(諸如鐵損和磁通密度之間的關(guān)系 這樣一些重要結(jié)果。每一種模型電機的定子鐵心都是用不同類型的無取向電工鋼板制備的。制成定子鐵心的材料有：屬于JIS標(biāo)準(zhǔn)電工鋼板JN；低鐵損高磁通密度經(jīng)由消除 應(yīng)力退火后的電工鋼板J NA以及低鐵損高磁通密度電工鋼板JNE。對于每種類型的 電機而言，其定子的尺寸和形狀都是固定不變的而且還使用相同的轉(zhuǎn)子。受試的額定輸出功率為400W變頻驅(qū)動三相感應(yīng)電機，脈沖寬度調(diào)制(PWM)波形是 用高于同步化頻率40倍的一種載波頻率生成的。在一種

15、先定的無載荷轉(zhuǎn)速上調(diào)定 之后，通過施加一個轉(zhuǎn)矩采用轉(zhuǎn)速掃掠的方式來測定電機特性。無刷直流電機的規(guī)格及其受試所使用的驅(qū)動電路系統(tǒng)。其額定輸出功率為300W， 而其轉(zhuǎn)子屬于八極采用稀土合金磁鐵的表面永磁鐵型制成的。在通過PWM的脈沖 寬度對受試電機的驅(qū)動電壓進(jìn)行調(diào)整并將其設(shè)定在先定的無負(fù)載轉(zhuǎn)速上之后，再 施加一個轉(zhuǎn)矩使其成為一個負(fù)載電機并通過轉(zhuǎn)速掃掠測出電機特性。評價感應(yīng)電機材料性能對電機性能的影響將不同類型電工鋼板對應(yīng)的感應(yīng)電機的最大效率作為該材料在1.5T、50Hz下鐵 損w50 / 15的函數(shù)。那些經(jīng)退火后鐵心的值。就材料而言，其最大效率隨著鐵損 的減少而具有增加的趨向?？墒?，這種依賴性不太

16、大而且即使使用材料的鐵損低 于某個水平的話其效率的趨向也接近飽合。另一方面，那些具有高磁通密度B50的JNA材料，它們的效率都明顯高于那些具有 同鐵損的JIS標(biāo)準(zhǔn)材料JN。這種行為與無刷直流電機相比的話，是唯一的不同之 處。將使用50JN400作為鐵心材料組成感應(yīng)電機中的銅損和鐵損作為電機轉(zhuǎn)速。驅(qū)動 條件幾乎都與那些材料對應(yīng)最大效率時相當(dāng)。由于轉(zhuǎn)子中的二次電流的存在，當(dāng) 轉(zhuǎn)速低于2000rpm范圍其電機的銅損是大于鐵損的。正因為電機的鐵損與鐵心材 料的鐵損具有強相關(guān)關(guān)系，而其銅損恰恰與鐵心材料的磁通密度具有強相關(guān)關(guān) 系，所以銅損的這種在電機損耗中所占的比例優(yōu)勢就解釋了為什么在感應(yīng)電機中 所顯示

17、的其最大效率會與其材料的磁通密度B50出現(xiàn)強相關(guān)的理由。因此，在感 應(yīng)電機里，具有更高B50的JNA材料要比同鐵損w15，50的標(biāo)準(zhǔn)小材料在電機效率 方面更加優(yōu)越。另一方面，以上述及到的一種現(xiàn)象就是即使使用w15 / 50為3W / kg或更低的JN材 料制作鐵心的話，其效率的增加也已經(jīng)趨向于飽和，它可以解釋為：在這些低鐵 損材料中，是因為大量使用合金元素從而降低了B50，其結(jié)果是銅損反而增大了 的緣故，總結(jié)果是相互抵消，效率難以有效提高。三、電工鋼的新需求及發(fā)展展望1，巨型發(fā)電機組電工鋼的用量我們已經(jīng)知道700 MW級的三峽機組需用定子沖片凈重量為560t，雖然電工鋼用量 和機組容量不是線性

18、增量關(guān)系，但可以想象，1000MW級機組的用量肯定還要大許 多。1000MW級常規(guī)火電機組由于機型的不同，電工鋼用量也會有較大差別。使用 取向電工鋼的機組由于電磁密度更高使電工鋼用量相對更少，不過即便這樣，其 250t的定子沖片重量也使單臺機組電工鋼用量超過300t。而使用冷軋無取向電工 鋼的機型單臺電工鋼用量則更多。2,大型發(fā)電設(shè)備制造對電工鋼的新需求1100 MW級核電機綴在中國由于技術(shù)類型裙近，電王鋼使用的牌號及用量也襁遙， 由于1100 MW級核電機組是半轉(zhuǎn)速機組，因此，相對于全轉(zhuǎn)速的同容量常規(guī)火電， 單臺電工鋼的用量肯定要多一些。1600 MW及以上級核電機組由于國內(nèi)尚未引進(jìn) 投產(chǎn)，具體取向電工鋼用量還不清楚。3，巨型發(fā)電機組對電工鍛的要求單機容量更大的巨型機組，運行效率要求更高，這樣造成了對定子電工鋼更高的 性能要求。雖然，世界著名的三峽機組定子電工鋼使用的是M27050A，效率也 非常高，但現(xiàn)在的700 MW及以上級單機容量的水電機組幾乎都要求使用M250 50A；單機容量1000MW常規(guī)火電機組，西屋系技術(shù)（代表西門子）使用的是M270 50A，GE系技術(shù)（代表日立）使用的是冷軋取向電工鋼，牌號一般在35Q155或 35Q175。單機容量1100MW級核電機組使用的定子電工鋼為M31050A，但1600MW 及以上級核電機組