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无取向电工钢在不同频率下的磁性能研究

发布时间: 2018-04-10来源:电工钢领航

通过测试不同牌号的无取向电工钢在不同频率下的磁特性参数,比较了不同牌号无取向电工钢P1.0铁损数据。结果表明,频率越低,不同材料牌号P1.0的铁损越一致;当电机设计的长期工作频率在低频阶段时,特别是10Hz以内时, 电机铁芯材料选择较低牌号比选择高牌号的性价比更高。

  前言

随着抽水蓄能电站的出现,以及变速电机和变频电机的发展,水力发电机组的电机工作方式发生了变化。抽水蓄能设计要求发电电动机变频启动和变频调速,尽管变频范围不大,但运行过程中,会有低频和高频谐波出现。定子铁芯使用的硅钢材料在低频或高频状态下的损耗将直接影响机组性能。因此电机设计过程中,不仅要了解电工钢材料在工频(50Hz60Hz)下的磁特性参数,还需要掌握低频、高频下的磁特性参数,并依此作为电机设计和铁芯材料选择的重要依据。

在变速或变频电机的研制过程中,如何合理、精确地控制铁耗是实现先进设计的一项主要措施,而如何找出铁耗的主要影响因素并针对其提出相应的降耗措施,则是实现降耗的一个重要环节。对于变速电机,定子铁心内磁场变化频率很,导致铁耗大大增加,铁损的合理精确设计成为高速电机设计的关键问题。同时,在了解了电工钢在各频率阶段的损耗表现后,如何精确选材,保证一方面满足设计使用工况要求,另一方面又能减低铁芯材料使用成本,是电机研发制造关心的问题。

本实验选取不同厂家的几种高牌号无取向电工钢,在保持测试磁感不变的情况下,用爱泼斯坦方圈测试其磁特性参数值,以研究牌号之间冷轧无取向电工钢磁性能,为电机设计合理选材提供试验支撑。

 

 试验条件

本实验测试设备采用长沙天恒测控TD8530宽频磁性测量系统, 频率范围3Hz1kHz,磁化场范围1A/m30000 A /m

实验选用厚度为0.5mm的高牌号电工钢作为实验样品,样品来自国内不同电工钢生产厂家,材料牌号分别为50W25050W27050W310

本实验测量不同频率下的电工钢磁特性,因此需要考虑样品重量对设备测量电工钢在低频和高频时的试验能力和测量准确性。为保证测试具有更好的波形系数,电压和电流有效值应不能太低,才能保证其测量精度符合测试设备要求。测量P1.0电工钢损耗时测量频率越低,对励磁电源的电压电流及测量装置的测量准确度就要求就越高。TD8530宽频磁性测量系统的电压电流测量准确度为±0.05%*RGRG为量程值。本试验分别测试了5Hz50W310牌号电工钢0.5Kg试样和1Kg试样,试验过程参数见表15Hz50W310牌号电工钢0.5Kg试样测试波形图见图1

1  0.5Kg试样和1Kg试样在50Hz时的试验过程参数

试验重(Kg

Uavg(V)

Irms(A)

波形系数

1Kg试样

1.6495

0.0724

1.1177

0.5Kg试样

0.9323 

0.0695 

1.1294

 

1   5Hz50W310牌号电工钢0.5Kg试样测试波形图

1和图1表明,在5Hz频率测量时,1Kg试样测试时的波形系数更好。1Kg试样测试时的波形系数在1.111±1%范围内,而0.5Kg试样测试时的波形系数在1.111±5%范围内。为此,本实验选用1Kg试样作为电工钢低频测试试样重量。

    

  频率对电工钢磁性能的影响

1. 频率对铁损的影响

单位重量的磁性材料在交变磁场磁化下所消耗的功率称为比总损耗(或称为铁损),它包含磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗与磁场频率f成正比,涡流损耗与磁场频率f2成正比。频率增加时,涡流损耗比磁滞损耗增加更快。同时在同一频率下,随电工钢厚度减薄,铁损越低。 在工频条件下,无取向硅钢片的铁损主要是磁滞损耗,约占总铁损的80%左右,涡流损耗只占20%。在低于工频时,随着频率的降低,磁滞损耗占的比重更大。但随着频率的增加,涡流损耗比例明显上升,400Hz时,涡流损耗占总损耗比例超过50%。涡流损耗的存在增加电机运行时的铁芯损耗,电机发热和温升会进一步上升。

本实验测试了各电工钢磁感应强度在P1.0下3Hz~400Hz频率的铁损Ps。测试结果见图2

由图2可以明显看出,随着频率的增加,电工钢铁损迅速增加,同时各牌号之间的铁损差距拉大。

2   1.T时不同频率下铁损曲线

为分析不同电工钢牌号在低频下的铁损差距,本实验统计了低频3Hz~工频50HzP1.0测试数据,结果见图3。本实验测得的3Hz~15HzP1.0损耗数据见表2 ___

___

____3  3Hz~50HzP1.0测试曲线 ___

___

____2   3Hz~15Hz下电工钢的P1.0铁损测量数据 ___

__________________

Ps(W/kg)

Ps(W/kg)

Ps(W/kg)

Ps(W/kg)

3

0.042

0.042

0.043

0.037

5

0.072

0.071

0.073

0.064

7

0.104

0.103

0.106

0.093

9

0.136

0.135

0.139

0.124

11

0.170

0.169

0.175

0.155

13

0.205

0.204

0.211

0.188

15

0.242

0.241

0.250

0.223

由图3、表2可以明显看出,频率越低,不同材料牌号P1.0的铁损越一致。随着频率的增加,电工钢铁损迅速增加,同时各牌号之间的铁损差距拉大。当频率达到工频50Hz时,电工钢的损耗性能达到各自牌号对应的铁损性能指标。

2.频率对磁感应强度的影响

本实验测试了50W310电工钢在磁化场2500A/m时, 50Hz~400Hz频率间的磁感应强度B值,结果见图4。图4表明,在此频率范围内B值不随磁化场频率的变化而显著变化。

图4  50W310在50Hz~400Hz频率间的B2500/T

由图2、图4和表2,可以看出,当电机的设计长期工作频率在低频阶段时,特别是10Hz以内时,50W25050W27050W310的比总损耗相差不大。这时电机铁芯材料的选材,可以根据电工钢的磁极化强度性能来决定材料适用性,而选择低牌号的价格成本将比高牌号更有优势。

   结语

针对不同牌号无取向电工钢在不同频率下的铁损变化进行了分析,总结如下:

1)电工钢损耗对频率的非线性,要求运行频率范围较宽或低、高频谐波较大的电机,在精确设计时应考虑电工钢在整个频率范围内的损。 

(2) 频率越低,不同材料牌号P1.0的铁损越一致,随着磁化场频率的增加,电工钢铁损迅速增加,同时各牌号之间的铁损差距迅速拉大。

3)当电机设计的长期工作频率在低频阶段时,特别是10Hz以内时电机铁芯材料选择较低牌号比选择高牌号的性价比更高。

来源:《第十四届中国电工钢学术年会论文集》

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