半工藝電工鋼在電機(jī)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

張晃清，熊海芳

[騰普](常州)精機(jī)有限公司,江蘇 常州213022〗

摘要：介紹了半工藝鋼相比全工藝鋼的性能優(yōu)勢(shì)、成本優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。分別測(cè)試了半工藝與全工藝電工鋼的材料性能、鐵心單位鐵損、沖片涂層電阻,以及對(duì)應(yīng)的電機(jī)綜合性能，以驗(yàn)證半工藝電工鋼在電機(jī)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：半工藝; 電工鋼; 電機(jī)

通訊作者:熊海芳

中圖分類號(hào)：TM 305文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

收稿日期:2015-03-30

Advantage of Semi-Processed Electrical Steels on Motor Applications

ZHANGHuangqing,XIONGHaifang

(Tempel (Changzhou) Precision Metal Products Co., Ltd., Changzhou 213022, China)

Abstract：The performance-, cost- and market-advantage of the semi-processed steels compared with the full-processed steels were introduced. The material performance, iron core loss, interlamination resistance and the over-all motor performance of semi-processed and full-processed steels were respectively tested, in order to verify the application advantage of the semi-processed steels.

Key words： semi-processed; electrical steel; motor

0引言

硅鋼片是電機(jī)最常用的導(dǎo)磁材料，隨著高效電機(jī)的普及，對(duì)硅鋼片的性能就提出了更高的要求。采用半工藝無(wú)取向電工鋼并進(jìn)行退火處理是降低電機(jī)成本、提高電機(jī)效率的有效途徑。當(dāng)前半工藝無(wú)取向電工鋼在歐美電機(jī)市場(chǎng)上已經(jīng)得到了用戶的廣泛認(rèn)可，但在中國(guó)市場(chǎng)，半工藝電工鋼占無(wú)取向電工鋼總量的比重還非常低。本文分析了半工藝鋼相比全工藝的經(jīng)濟(jì)成本及市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，并比較了半工藝鋼相比其同牌號(hào)的全工藝鋼的性能優(yōu)勢(shì)，以便更好地推廣半工藝電工鋼。

1半工藝鋼市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)分析

1.1半工藝電工鋼介紹

冷軋電工鋼按晶粒排列方向性可以分為無(wú)取向冷軋電工鋼和取向冷軋電工鋼，無(wú)取向冷軋電工鋼又分為無(wú)取向全工藝電工鋼和無(wú)取向半工藝電工鋼。

半工藝無(wú)取向電工鋼是區(qū)別于傳統(tǒng)的全工藝無(wú)取向電工鋼的一種產(chǎn)品。鋼廠將冷軋帶鋼進(jìn)行不完全退火后出廠(可不帶涂層)，或不完全退火后經(jīng)3%～10%的臨界變形冷軋或經(jīng)0.5%～2%變形量進(jìn)行平整，以改善板型，提高硬度和沖片性。用戶用半工藝電工鋼后，需要進(jìn)行消除應(yīng)力退火，退火后硅鋼的晶格得到充分長(zhǎng)大，從而達(dá)到滿足磁性能要求的電工鋼產(chǎn)品，用戶退火一般包括去油、去應(yīng)力退火、蒸汽發(fā)藍(lán)、冷卻等幾道工序。該工藝多用于生產(chǎn)低碳、低硅(≤1.5% Si)的電工鋼，是適用于中、低頻等高效、節(jié)能要求而發(fā)展起來(lái)的成熟技術(shù)產(chǎn)品。

圖1　全工藝和半工藝無(wú)取向電工鋼典型工藝流程圖

與冷軋無(wú)取向電工鋼全工藝生產(chǎn)流程不同，半工藝生產(chǎn)流程有其特殊的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)。全工藝和半工藝無(wú)取向電工鋼的典型工藝流程如圖1所示。用騰普公司Tempcor作為鐵心材料的電機(jī)制造流程如圖2所示。

圖2　用Tempcor作為鐵心材料的電機(jī)制造流程圖

Tempcor的特點(diǎn)如下:

(1) 磁感B50和鐵損P15都比較好，經(jīng)過(guò)消除應(yīng)力退火后，晶粒得到充分長(zhǎng)大，鐵損P15降低20%以上，峰值磁導(dǎo)率μ15增加35%以上，而磁感B50值變化不大，整體性能可提高2～3個(gè)牌號(hào)；

(2) 不帶涂層的產(chǎn)品半工藝鋼在蒸汽發(fā)藍(lán)后形成一層致密的Fe3O4的氧化物保護(hù)層，在鐵心疊片之間起到層間絕緣作用，從而有效降低了鐵心的渦流損耗，此外該表面氧化層還能起到防銹作用；

(3) 沖片毛刺軟化，沖片更平，疊壓系數(shù)較高，電機(jī)的雜散損耗會(huì)更低；

(4) 材料價(jià)格便宜，節(jié)約成本，利潤(rùn)空間大，增強(qiáng)了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2半工藝鋼的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)

從經(jīng)濟(jì)成本方面分析: 全工藝鋼在鋼廠退火時(shí)間長(zhǎng)，又包含涂層工藝，而半工藝鋼是用戶沖壓后再進(jìn)行充分退火，因此半工藝鋼相比全工藝鋼其原材料成本更有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

從市場(chǎng)占有率方面分析: 國(guó)外無(wú)取向電工鋼約70%以上都是半成品狀態(tài)出廠，如美國(guó)AISI標(biāo)準(zhǔn)中M27～M47牌號(hào)、前蘇聯(lián)的2011～2113牌號(hào)和日本的S20～S60牌號(hào)半成品，可替代絕大多數(shù)硅含量≤2%的全工藝電工鋼。目前國(guó)外生產(chǎn)半工藝電工鋼的主要鋼廠有: AM集團(tuán)、日本住友金屬、日本川崎、韓國(guó)浦項(xiàng)，其中美國(guó)年產(chǎn)175萬(wàn)t/年的無(wú)取向電工鋼的鋼廠，半工藝電工鋼產(chǎn)量約為150萬(wàn)t/年，占85.7%，在歐美、前蘇聯(lián)、日本已經(jīng)廣泛采用半工藝電工鋼板，特別是壓縮機(jī)電機(jī)沖片都采用半工藝電工鋼板制造；但在中國(guó)市場(chǎng)，2011年國(guó)內(nèi)半工藝?yán)滠垷o(wú)取向硅鋼產(chǎn)量約為4.5萬(wàn)t，而國(guó)內(nèi)無(wú)取向電工鋼產(chǎn)量為560萬(wàn)t，僅占無(wú)取向電工鋼總量的0.8%，所占比重還非常低，因此半工藝電工鋼的在中國(guó)的市場(chǎng)潛力還是巨大的。

2半工藝鋼性能優(yōu)勢(shì)分析

2.1材料性能測(cè)試對(duì)比

根據(jù)美國(guó)AISI標(biāo)準(zhǔn)，M27～M47的半成品電工鋼和完全退火的電工鋼的磁性能對(duì)比如表1所示，說(shuō)明電工鋼半成品產(chǎn)品在用戶退火后其單位鐵損和磁導(dǎo)率這兩個(gè)關(guān)鍵電磁性能指標(biāo)都更優(yōu)。

表1　美國(guó)AISI標(biāo)準(zhǔn)中同牌號(hào)的完全退火和

比較兩種電工鋼材料的性能差異，通常比較它們?cè)谀骋活l率下的磁感應(yīng)強(qiáng)度-鐵損曲線(B-P曲線)、磁感應(yīng)強(qiáng)度-峰值磁導(dǎo)率曲線(B-PP曲線)和磁感應(yīng)強(qiáng)度-磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線(B-H曲線)這三者之間的差異。

同牌號(hào)的騰普半工藝鋼MS050 600和寶鋼全工藝鋼B50A600，兩者在50Hz下的B-P、B-PP及B-H曲線的對(duì)比分別如圖3～圖5所示，兩者的主要電磁參數(shù)對(duì)比如表2所示。

圖3　MS050 600與B50A600在50Hz時(shí)的B-P曲線

圖4　MS050 600與B50A600在50Hz時(shí)的B-PP曲線

圖5　MS050 600與B50A600在50Hz時(shí)的B-H曲線

由圖3～圖5和表2可看出，MS050 600其在50Hz下的鐵損和峰值磁導(dǎo)率都明顯優(yōu)于B50A600。因此，對(duì)于勵(lì)磁電流頻率為工頻頻率50Hz的電機(jī)，用MS050 600替換B50A600作為鐵心材料后用更低的勵(lì)磁電流就可以獲得相同的功率，并且還可獲得更高的電機(jī)效率。

2.2鐵心鐵損測(cè)試對(duì)比

以某客戶冰箱壓縮機(jī)單相異步電機(jī)的定子鐵

表2　MS050 600與B50A600的在50Hz

心(圖6)作為鐵損測(cè)試對(duì)象，用同牌號(hào)的全工藝鋼和半工藝鋼制成鐵心樣品，并用專用鐵心鐵損測(cè)試儀測(cè)試鐵心鐵損，其在頻率為50Hz時(shí)的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

圖6　單相感應(yīng)電機(jī)樣機(jī)定子鐵心鐵損測(cè)試

由表3的鐵心鐵損測(cè)試結(jié)果可知，該單相感應(yīng)電機(jī)定子鐵心用騰普半工藝鋼MS050 600替換寶鋼全工藝鋼B50A600后其鐵心鐵損平均下降15.92%，這將會(huì)對(duì)電機(jī)的機(jī)械效率有1%～2%的提升。

表3　牌號(hào)相同的全工藝、半工藝電工鋼定子鐵心在50Hz時(shí)的鐵損對(duì)比

2.3層間電阻測(cè)試對(duì)比

全工藝電工鋼的表面涂層是一種能提高電磁性能、減少渦流損耗、且有一定張力薄而均勻的絕緣涂層；半工藝電工鋼表面雖然不具有涂層，但是在蒸汽發(fā)藍(lán)后其表面會(huì)形成一層致密的Fe3O4氧化物保護(hù)層，該保護(hù)層在鐵心疊片之間也起到了層間絕緣的作用，從而有效地降低了鐵心的渦流損耗，此外還起到了防銹作用。

根據(jù)GB/T 2522—2007《電工鋼(帶)表面絕緣電阻、涂層附著性測(cè)試方法》標(biāo)準(zhǔn)，用Franklin測(cè)試儀(見圖7)測(cè)試電工鋼的層間電阻，騰普半工藝鋼MS050 600與寶鋼全工藝鋼B50A600(A涂層)的層間電阻比較，如表4所示。

圖7　電工鋼Franklin測(cè)試

電工鋼牌號(hào)絕緣層種類樣條編號(hào)測(cè)試次數(shù)涂層電阻/(Ω·cm2)樣條涂層電阻均值/(Ω·cm2)電工鋼涂層電阻均值/(Ω·cm2)MS050600氧化物保護(hù)層1號(hào)樣條第一次0.371第二次0.3820.37652號(hào)樣條第一次0.386第二次0.360.37300.3748B50A600半有機(jī)A涂層1號(hào)樣條第一次0.193第二次0.1750.18402號(hào)樣條第一次0.211第二次0.1870.1190第三次0.1692號(hào)樣條第一次0.1641.78第二次0.1920.1915

由表4可知，Tempcor MS050 600與寶鋼B50A600的層間電阻均值分別為0.3748Ω·cm2和0.1915Ω·m2，前者為后者的1.96倍。由此可以看出，Tempcor相比其同牌號(hào)的寶鋼A涂層全工藝電工鋼，其疊片之間的絕緣性能更好，因此用Tempcor制成鐵心后電機(jī)的渦流損耗會(huì)更小些、效率會(huì)更高些。

2.4電機(jī)性能測(cè)試對(duì)比

分別用MS050 600和B50A600兩種電工鋼作為某客戶冰箱壓縮機(jī)單相感應(yīng)電機(jī)的鐵心材料制作兩臺(tái)其余參數(shù)相同的樣機(jī)做試驗(yàn)驗(yàn)證。兩種材料制作的電機(jī)的性能測(cè)試曲線比較分別如圖8和圖9所示。該電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速2950r/min下的性能參數(shù)對(duì)比如表5所示。

由圖8、圖9可知，單相異步電機(jī)用MS050600電工鋼作為鐵心材料相比B50A600，其繞組電流有小幅下降，電機(jī)效率還有小幅提高，這與兩者的材料特性曲線較為吻合。另外，

根據(jù)表5的性能對(duì)比結(jié)果，相比B50A600方案，電機(jī)在2950r/min轉(zhuǎn)速點(diǎn)下的繞組線電流減少0.93%，輸出功率提升9.09%，電機(jī)效率提高0.9%，說(shuō)明單相異步電機(jī)用半工藝鋼作為鐵心材料，其電機(jī)溫升、功率、效率等綜合性能會(huì)得到優(yōu)化。

圖8　以MS050 600與B50A600為材料的效率曲線

圖9　以MS050 600與B50A600為材料的轉(zhuǎn)矩特性曲線

主要參數(shù)B50A600方案MS050600方案前后增長(zhǎng)百分比/%鐵心材料B50A600MS050600—轉(zhuǎn)速/(r·min-1)29502950—扭矩/(N·m)0.330.369.09輸出功率/W101.937111.2049.09電流/A0.6420.636-0.93效率/%78.2079.100.90

3結(jié)語(yǔ)

半工藝鋼在歐美、日本市場(chǎng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)大部分電機(jī)廠以及沖片制造商還沒(méi)有退火發(fā)藍(lán)設(shè)備，從而限制了半工藝電工鋼在國(guó)內(nèi)電機(jī)市場(chǎng)的應(yīng)用。因此，半工藝鋼在國(guó)內(nèi)電機(jī)市場(chǎng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)將會(huì)較為明顯。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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