(中船重工電機(jī)科技股份有限公司，山西太原 030027)

0 引言

高效率發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是能夠滿足客戶節(jié)約能源、降低運(yùn)行成本的需求，為客戶提供低碳環(huán)保的作業(yè)環(huán)境。

鐵心疊壓是將一定數(shù)量的沖片整理、壓實(shí)在一起，保證在后面工序過(guò)程中不松動(dòng)、不變形，鐵心質(zhì)量關(guān)系到電機(jī)的電磁性能和機(jī)械性能。高效率發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)就是控制發(fā)電機(jī)的損耗，損耗越小，發(fā)電機(jī)效率就越高。硅鋼片的層間絕緣，鐵心疊壓的緊密度，疊壓壓力等都會(huì)影響到鐵耗，所以優(yōu)化鐵心疊壓工藝，有效降低高效電機(jī)的鐵耗，對(duì)于提高發(fā)電機(jī)效率至關(guān)重要。

1 理論分析及鐵損耗最大值計(jì)算

(1)

(2)

式中，σ—材料常數(shù)；d—鋼片厚度；γ—導(dǎo)電率；ρ—密度質(zhì)量。

工廠用的鐵耗計(jì)算方法是在式(1)的基礎(chǔ)上，附加經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其表達(dá)方程如下

(3)

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)k包括齒部經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)和扼部經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

I0=Bg(Rgc+Rtc)/KW

(4)

P0cu1=1.5I02R0

(5)

Pcon=PFe+Pfw=P0-P0cul

(6)

通過(guò)式(1)、式(2)和式(3)可以看出影響鐵耗的因素包括材料本身性能，硅鋼片間的絕緣，鐵心的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸以及鐵心的疊裝工藝等多種因素。由于定子沖片可能存在毛刺，若疊片壓力過(guò)小，導(dǎo)致疊壓不緊，鐵心有效面積減小，鐵心內(nèi)磁阻變大，根據(jù)式(4)空載電流變大，機(jī)械損耗僅與轉(zhuǎn)速有關(guān)，可以認(rèn)為是常數(shù)，根據(jù)式(5)和式(6)，電機(jī)鐵耗變會(huì)變大。若疊片壓力過(guò)大，片間絕緣會(huì)遭到破壞，毛刺會(huì)連接在一起，鐵心會(huì)成為一個(gè)整體，渦流就會(huì)增加，造成空載電流的增加，最終導(dǎo)致鐵耗的變大。因此采取合適的疊壓壓力和工藝方法是降低鐵耗的關(guān)鍵。

本文采用二次疊壓技術(shù)，以某型同步發(fā)電機(jī)為例，鐵耗的理論計(jì)算以及檢測(cè)鐵心鐵耗所需電參數(shù)計(jì)算如下：(1)硅鋼片牌號(hào)選用50TW270，鐵損系數(shù)為

P1.5/50=2.40W/kg

P1.0/50=1.03W/kg

按疊壓系數(shù)按0.96考慮，發(fā)電機(jī)定子鐵心有關(guān)計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機(jī)定子鐵心有關(guān)計(jì)算參數(shù)

注：根據(jù)GB/T 20835—2016《發(fā)電機(jī)定子鐵心磁化試驗(yàn)導(dǎo)則》，定子鐵心軛部的磁通密度Bj取為1.4T。

定子鐵心軛部鐵損耗的計(jì)算

Pj=kaP1.0/50Bj2Gj×10-3

(7)

式中，Pj—定子鐵心軛部鐵損耗(W)；P1.0/50—50TW270的鐵損系數(shù)(W/kg)；Bj—定子鐵心空載軛部磁通密度(T)；Gj—定子鐵心軛部質(zhì)量(kg)；ka具有下列統(tǒng)計(jì)平均值：對(duì)于直流電機(jī)ka=3.6；對(duì)于同步和感應(yīng)電機(jī)，當(dāng)容量PN<1000kVA時(shí)，ka=1.5；當(dāng)容量PN>1000kVA時(shí)，ka=1.3；

通過(guò)式(7)計(jì)算：Pj=1746.6W。

測(cè)試線圈電壓的計(jì)算

U2=4.44W2fBjSj

(8)

式中，U2—測(cè)試線圈的電壓(V)；W2—測(cè)試線圈的匝數(shù)，取10；f—定子鐵心軛部鐵損測(cè)量時(shí)的勵(lì)磁電源頻率為50HZ；

通過(guò)式(8)計(jì)算：U2=111.5V。

勵(lì)磁電流的計(jì)算

I1=(D1-hs)πH/W1

(9)

式中，I1—?jiǎng)?lì)磁電流(A)；D1—定子鐵心外徑(m)；hs—定子鐵心軛高(m)；H—1.4T下的磁感應(yīng)強(qiáng)度(A/m)，根據(jù)交流所選用硅鋼材料廠家磁化曲線查H=500；W1—測(cè)量繞組的匝數(shù)，取10；通過(guò)式(9)計(jì)算：I1=112A。

勵(lì)磁容量的計(jì)算

S=1.1(W1/W2)U2I1×10-3

(10)

式中，S—?jiǎng)?lì)磁容量(kVA)；通過(guò)式(10)計(jì)算：S=13.7kVA。

按以上理論分析可計(jì)算出定子軛部鐵損耗最大值Pj為1.7kW；鐵心軛部損耗測(cè)試時(shí)的測(cè)試電壓U2為114.8V；所需要的勵(lì)磁電流I1為112A；勵(lì)磁電源的容量S為13.7kVA。

2 鐵心制造工藝要求

試驗(yàn)鐵心總共為4個(gè)，分別標(biāo)記為01、02、03、04,為了避免因制造過(guò)程而增大鐵心鐵損耗，鐵心制造過(guò)程嚴(yán)格按如下工藝執(zhí)行。

(1)鐵心沖片沖制采用六工位智能沖壓制造工藝，具備自動(dòng)上料、定位、定子沖槽、定子出料、轉(zhuǎn)子沖槽、轉(zhuǎn)子出料等功能。采用該工藝保證了沖片的精度和一致性。

(2)01、02號(hào)鐵心采用普通疊壓，分段保高度，最后整體疊壓，保最后總高度。

(3)03、04號(hào)鐵心采用二次疊壓技術(shù)，理論分析可有效降低鐵損。

3 定子鐵損試驗(yàn)

定子鐵心疊壓完成后測(cè)量鐵心損耗，根據(jù)以上理論分析可確定具體實(shí)驗(yàn)規(guī)程以及合格判據(jù)如下。

準(zhǔn)備20米70mm2的電纜(根據(jù)電密，可使用35mm2或者50mm2的電纜)和20米2.5mm2的電纜；按照?qǐng)D示要求，將70mm2電纜和2.5mm2電纜在鐵心上均纏繞10匝，分別作為勵(lì)磁線圈和測(cè)試線圈,測(cè)試線圈與勵(lì)磁線圈相差90°，如圖1所示。

圖1勵(lì)磁線圈與測(cè)試線圈

通電前，用500V絕緣電阻測(cè)試儀測(cè)量勵(lì)磁及測(cè)量線圈對(duì)地絕緣電阻，應(yīng)大于10МΩ。

要求電量測(cè)量精度達(dá)到0.2級(jí)，功率測(cè)量采用低功率因數(shù)瓦特表。

勵(lì)磁線圈(70mm2電纜)兩端接入單相工頻50Hz交流電源(容量大于15000VA)；在測(cè)試線圈(2.5mm2電纜)兩端接電壓表，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電源使電壓表顯示為111.5V，此時(shí)需準(zhǔn)確測(cè)量勵(lì)磁電源的輸入功率P1(計(jì)算值約為1.7kW)、輸入電流I1(計(jì)算值為112A)、輸入電壓U1(計(jì)算值為111.5V)。勵(lì)磁線圈通電時(shí)間持續(xù)45分鐘，過(guò)程中需調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓以保證測(cè)量線圈的電壓U2始終為111.5V，同時(shí)用紅外測(cè)溫儀測(cè)量鐵心溫度，每10分鐘記錄一次鐵心溫度和勵(lì)磁線圈的電流、電壓、功率、功率因數(shù)以及測(cè)試線圈的電壓，共記錄6組數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)束時(shí)，測(cè)試勵(lì)磁線圈的熱態(tài)直流電阻R1，并記錄數(shù)據(jù)。

按照下式計(jì)算定子鐵心軛部鐵損耗Pj

Pj=P1-I12R1

(11)

式中,P1—試驗(yàn)結(jié)束時(shí)勵(lì)磁線圈的輸入功率,W；Pj—定子鐵心軛部鐵損耗，W；R1—試驗(yàn)結(jié)束時(shí)勵(lì)磁線圈的熱態(tài)直流電阻,Ω；I1—試驗(yàn)結(jié)束時(shí)勵(lì)磁線圈的電流值，A。

合格判據(jù)

定子鐵心軛部鐵損耗Pj不大于1.7kW。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)式(11)計(jì)算鐵心軛部鐵損耗Pj見表2。

表2 鐵心軛部鐵損

在第2條中合格判據(jù)為Pj不大于1.7kW，現(xiàn)4臺(tái)鐵心Pj全部小于1.7kW，因此4臺(tái)鐵心全部合格。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，二次疊壓工藝可降低鐵心鐵損耗。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)上述在一定基礎(chǔ)上理論分析以及計(jì)算，并通過(guò)實(shí)際試測(cè)試，改進(jìn)鐵心疊壓工藝，控制高效電機(jī)鐵心制造質(zhì)量，可有效控制高效電機(jī)鐵耗，保證滿足設(shè)計(jì)要求，提高電機(jī)性能。