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低牌号冷轧硅钢在Y系列异步电机的应用研究 |
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作者：浙江大学 吴建华 陈永校 |
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摘要 冷轧硅钢带较热轧硅钢片有明显的优势，以低牌号冷轧硅钢带取代热轧硅钢片能有力地缓解供求和价格的矛盾，推进“冷”代“热”的进程本。本文以Y系列异步电机为例，讨论了用低牌号冷轧硅钢带取代热轧硅钢片时电机设计方案的调整特点，并给出Y312M-4型异步电机采用50W800硅钢带的设计实例。
1 概述
自1882年硅钢发明以来，硅钢片成为电机实现机电能量转换的核心部件，对电机业的发展起到举足轻重的促进作用。硅钢的发展也经历了热轧硅钢、冷轧硅钢、高磁感取向硅钢三个重要发展阶段。我国于1952年开始试制热轧低硅钢片，并在电机制造业中广为应用，至今还是中小型电机的主导铁心材料。但热轧硅钢片生产过程污染环境，劳动强度大，钢片质量难以提升。随着冷轧硅钢技术的迅速发展，其品种、质量明显优于热轧硅钢，对电机产品性能提高，生产过程自动化能起到极大的推进作用。国外已先后停止了热轧硅钢片的生产，全部以冷轧硅钢取代，只有我国仍在大批量使用热轧硅钢片。然而，我国企业界也早已认识到继续使用热轧硅钢片的种种弊端，生产规模大的企业多已配置了只能使用冷轧钢带的高速冲床和精密冲模，加之国家政策的引导，以冷轧硅钢取代热轧硅钢成为必然趋势。
以同等牌号取代热轧硅钢片，如50W470取代DR510-50，在技术上并不存在难度。但目前我国冷轧硅钢价格较高，对市场竞争激烈的普通电机，其利润已很低，铁心成本是必须慎重考虑的问题。从冷轧硅钢价格可见，高牌号冷轧硅钢比低牌号冷轧硅钢价格贵得多，如果能以低牌号冷轧硅钢取代热轧硅钢，无疑能有效地缓解供求与价格的矛盾，降低材料成本，对“冷”代“热”的进程起到积极的促进作用。本文将以Y系列异步电机为研究对象，讨论低牌号冷轧硅钢应用的特点和问题。
2 不同功率等级电机方案调整设计特点
原设计Y系列电机是以中牌号冷轧硅钢带50W470和热轧硅钢片DR510-50为材料基准，但热轧硅钢片价格便宜，因此被广泛应用。要以低牌号冷轧硅钢带50W600~50W1300来取代热轧硅钢片，必须调整设计，使替代后的电机性能保持不变或得到提高。表2为低牌号冷轧硅钢带与DR510-50热轧硅钢片性能一览表。表2 低牌号冷轧硅钢带与DR510-50热轧硅钢片性能
 比较表2数据，低牌号冷轧硅钢带不足之处是单位铁耗较大，直接取代有可能导致电机
损耗过大，效率超标。但是低牌号冷轧硅钢带磁感应强度高，加之叠片系数高，为调整电机设计，降低铜耗以弥补铁耗损失创造了条件，为低牌号冷轧硅钢带取代热轧硅钢片打下了良好的基础。 从实际电机损耗分布看，铁耗占总损耗比例值一般较小，铜耗比例较大，尤其是0.75kw以下的小功率电机比例悬殊更大。随着电机功率的增大，铜耗和铁耗的比例关系会发生变化。在鼠笼异步电机中，存在定子铜耗、转子铝耗、铁耗、杂散耗和风摩耗五种损耗，图1给出了Y系列4极电机各种损耗随电机输出功率的变化曲线，图2为各种损耗占总损耗比例的变化曲线。 
图1 Y系列4极电机损耗与输出功率的变化曲线
图2 各种损耗占总损耗比例的变化曲线
从图1、图2曲线可见，当电机功率较小时，铜耗构成电机的主要损耗，利用高磁感应特点调整设计，以铜耗的降低弥补铁耗的增大完全可能。但随着电机功率的增大，铜耗和铁耗所占比例逐渐接近，调整设计的难度也逐渐增大，当两者比例基本相同，甚至出现反转时，仅靠降低铜耗不易达到弥补铁耗的需求，还应当结合降低电机杂散耗和风摩耗等手段，同时铁心磁密不宜过高，以减小铁耗的增加程度。
3设计实例
本文利用浙江大学研制的Visual EMCAD可视化电机设计软件，分析了Y132M-4异步电机，具体说明冷轧硅钢带取代热轧硅钢片的设计特点。Y132M-4异步电机功率7.5kw，同步速1500r/mrn，原设计冲片材料DR510-50，其主要性能和各种损耗设计值见表3和表4，叠压系数0.95，铁心长度160mm。
替代材料采用50W800冷轧硅钢带，50W800硅钢带和DR510-50硅钢片的磁化曲线和铁耗曲线见图3和图4，为便于比较，磁化曲线通过国标中所给定的数据点，参见表2。在调整设计中，充分利用50W800磁感应值高，叠压系数高的特点。
图3 50W800和DR510-50磁化曲线
图4 50W800和DR510-50铁耗曲线
在设计电机时，磁路设计既不可太饱和，也不可太不饱和，太饱和时很难满足性能要求，太不饱和则浪费材料。为此，电机设计定义了饱和系数Ks，指额定运行状况下，空气隙、定转子齿部所需磁势综合对空气隙所需磁势之比：
对一般感应电机Ks=1.15~1.45范围内。饱和系数是权衡电机设计的一个重要指标，本方案调整时，保持调整前后电机饱和系数基本不变。新调整的设计方案及相应性能参数见表5和表6，叠压系数0.98，铁心长度149mm，设调整后杂散耗不变。
在保持饱和系数不变的情况下，调整后的电机铁心长度缩短了11mm，电机额定运行点、效率基本不变，功率因数、最大转矩倍数、起动转矩倍数均有提高，电机热负荷下降。在损耗方面，转子铝耗、杂散耗、风摩耗基本不变，铜耗下降，铁耗增加。本方案仅作了简单调整，并非最优设计结果。
对不同功率等级的电机，方案调整策略有所差异。小功率电机由于铜耗远大于铁耗，可取较大的铁心磁密，缩短铁心长度，既使铜耗和铁耗变化相补偿，又减少有效材料用量，降低成本；对功率较大的电机，因铜耗、铁耗相差不多，则需平衡铜耗和铁耗变化程度，而不是一味追求缩短铁心长度，较低的铁心磁密有利于降低铁耗的增加程度。为取得好的设计结果，还可以考虑改变电机槽参数、改变绕组线规等其它措施。只要协调调整设计参数，不改变电机性能以低牌号冷轧硅钢带取代热轧硅钢片一般都是可行的，对小功率电机还可能取得性能指标的提高。
至于制造工艺方面，冷轧硅钢带均具有很高的尺寸精度和表面粗糙度，给制造带来的优点是热轧硅钢片难以比拟的。此外，低牌号冷轧硅钢带硬度低，十分有利于高速冲床的应用，沿长昂贵的精密冲模寿命。
4 结论
本文以Y系列异步电机为例，讨论了不同功率等级电机损耗的分布情况，用低牌号冷轧硅钢带取代热轧硅钢片时电机设计方案的调整特点，并给出了Y132M-4型异步电机采用50W800硅钢带的实例。冷轧硅钢带较热轧硅钢片有明显的优势，以低牌号冷轧硅钢带取代热轧硅钢片能有力地缓解供求和价格的矛盾，推进“冷”代“热”的进程。研究表明，在电机设计时，采用低牌号冷轧硅钢带取代热轧硅钢片是可行的。
参考文献
1、武钢冷轧磁性钢带（片）. 电工钢. No.3，1998，37~49(end)
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(3/11/2005) |
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