高效电机硅钢片牌号选择的研究.docx
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高效电机硅钢片牌号选择的研究
高效电机硅钢片牌号选择的研究
二Ο一六年十二月
目录
高效电机硅钢片牌号选择的研究1
1铁心材料对铁耗的影响1
2、高效电动机冷轧硅钢片的选用2
3、超高效电机硅钢片选择6
结论13
1铁心材料对铁耗的影响
电机的损耗主要包括定子铜耗、铁耗、附加损耗、机械损耗等。
铁耗是由电机中产生的主磁通和漏磁通在铁心中发生变化时产生的磁滞损耗和涡流损耗,是电机中主要损耗之一,一般在小功率电机中铁耗占总损耗比例较小,在大功率电机占总损耗比例较大。
铁心材料的磁性能(导磁率和单位铁损),对电机的铁耗和激磁性能影响较大,同时铁心材料的费用又是构成电机成本的主要部分,因此选用合适的冷轧硅钢片式设计和制造高效率电机的关键。
图1表示了1.5kW、15kW、150kW三台4极电动机的空载电流与满载电流的比值。
图1空载电流与额定电流的比值
从图可见,1.5kW电动机中无功电流占定子电流的比例较大,达到70%左右,随着功率的增加,空载电流所占满载电流的比例逐渐减小。
因此对于功率较小的电机,定子铜耗所占总损耗的比例较大,应优先采用导磁性能好的电工钢片作为定子铁心,这样可以大大降低激磁电流,明显减少定子铜耗。
而对于功率较大的电机,由于空载电流所占满载电流的比例较小,铁耗在总损耗中已占相当大的比例,选用高导磁的硅钢片,对于提高效率效果并不明显,因此降低铁心材料的单位损耗将有助于减少铁耗。
2、高效电动机冷轧硅钢片的选用
在开发列电动机时,针对电动机功率不同损耗分布不同的特点采用了3种牌号的冷轧硅钢片,这三种冷轧硅钢片的磁感和铁损值分别为:
牌号1:
B50≥1.67T,P15/50≤4.5W/kg,相当于冷轧硅钢片50WW600;
牌号2:
B50≥1.68T,P15/50≤5W/kg,相当于冷轧硅钢片50WW700;
牌号4:
B50≥1.7T,P15/50≤6W/kg,相当于冷轧硅钢片50WW800。
高效电动机应用广,产量大,对于冷轧硅钢片牌号的选择,应综合考虑电动机的性能和材料成本。
为此,采用牌号1与牌号2两种冷轧硅钢片分别进行试算,表列出了两种不同牌号冷轧硅钢片对高效电动机铁耗的影响。
表两种不同牌号冷轧硅钢片对高效电动机效率和铁耗的影响
功率
(KW)
标准值
(%)
牌号1
效率%
牌号2
效率%
效率
差值%
牌号1
铁耗(W)
牌号2
铁耗(W)
铁耗
差值(W)
5.5
87.00
89.18
88.78
-0.40
124.79
150.79
26
15
90.30
91.65
91.30
-0.35
283.6
344.23
60.63
22
91.30
92.25
91.91
-0.34
411.62
497.2
85.58
90
94.10
94.87
94.65
-0.22
1053.3
1267.6
214.3
15
90.60
91.82
91.45
-0.37
296.4
361.8
65.4
22
91.60
92.48
92.12
-0.36
416
507.56
91.56
90
94.20
94.82
94.55
-0.27
1284.2
1553
268.8
3.0
83.30
85.66
85.18
-0.48
86.1
105.1
19
7.5
87.20
89.21
88.76
-0.45
181.28
222.81
41.53
15
89.70
90.92
90.55
-0.37
275.1
339
63.9
55
93.10
93.84
93.54
-0.30
807.9
985.01
177.11
从上表可以看出,当选用较好牌号1为导磁材料时,可以降低铁耗。
由于不同极数电动机铁耗在总损耗中所占比例不同,故其效率的影响也就不同。
下面就采用不同牌号的硅钢片,达到相同性能所需成本及材料的统计,表3-4是高效电机采用牌号1电机所用材料量和成本,表3-5是采用牌号2电机所需的材料用量和成本。
表中,材料成本按如下计算:
牌号1单价为8.98元/kg,牌号2单价为8.4元/kg,铜单价为58元/kg,铝单价为15.8元/kg。
表3-4采用牌号1的电机所需材料及成本
功率
(KW)
牌号1
标准值(%)
效率
(%)
铁耗(W)
铜重(kg)
铁重(kg)
铝重
(kg)
成本
(元)
4.0
85.80
87.470
79.9
4.0081
25.751
1.0455
471.89
4.0
86.60
88.150
95.8
5.631
38.626
1.6229
687.31
2.2
81.80
83.450
66.5
3.5264
28.092
1.1306
467.26
18.5
90.90
92.210
340.65
12.768
98.18
2.7112
1639.29
15
90.60
91.820
296.4
11.624
105.93
3.4583
1656.19
11
88.70
89.905
241
10.509
103.35
3.5
1571.15
37
92.50%
93.310
520.1
20.149
175.73
5.0281
2785.34
30.0
92.30%
93.000
486.45
22.208
192.08
6.2291
3065.81
22
90.90%
91.940
421.3
16.838
179.82
6.1213
2653.128
55
93.20%
93.980
662.4
29.757
262.95
8.7785
4164.62
55KW
93.50%
93.990
872.6
38.249
293.53
10.684
4943.974
37KW
92.20%
92.678
671.3
27.119
256.84
8.805
3962.29
表3-5采用牌号2的电机所需材料及成本
功率
(KW)
牌号2
标准值
(%)
效率
(%)
铁耗
(W)
铜重
(kg)
铝重
(kg)
铝重
(kg)
成本
(元)
4.0
85.80
87.451
94.821
3.9399
28.092
1.1275
473.52
4.0
86.60
88.148
123.14
5.9813
42.138
1.7312
714.88
2.2
81.80
83.456
87.503
3.6414
30.433
1.1676
477.07
18.5
90.90
92.21
394.21
13.496
116.27
3.1557
1806.77
15
90.60
91.811
387.58
12.882
121.43
3.8495
1799.15
11
88.70
89.923
289.84
11.94
124.02
4.1723
1772.93
37
92.50
93.332
639.94
21.442
208.43
5.5065
3034.16
30.0
92.30
93.002
607.45
24.302
224.78
7.1387
3356.15
22
90.90
91.942
547.09
18.696
216.6
7.0215
2971.74
55
93.20
93.981
777.12
32.105
305.76
9.3644
4506.73
55
93.50
93.993
1086.2
43.559
366.91
12.431
5707.81
37
92.20
92.674
857.17
29.353
317.99
10.208
4468.00
表3-6牌号1和牌号2成本对比
功率(KW)
差值
铜重差值
(kg)
铁重差值
(kg)
铝重差值
(kg)
成本差价
(元)
4.0
0.068
2.341
0.082
-1.62
4.0
0.350
3.512
0.1083
-27.57
2.2
0.115
2.341
0.037
-9.80
18.5
0.728
18.09
0.4445
-141.94
15
1.258
15.5
0.3912
-142.96
11
1.431
20.67
0.6723
-201.84
37
1.293
32.7
0.4784
-248.83
30.0
2.094
32.7
0.9096
-290.34
22
1.858
36.78
0.9002
-318.61
55
2.348
42.81
0.5859
-342.11
55
5.310
73.38
1.747
-763.84
37
2.234
61.15
1.403
-505.71
表3-6是采用牌号1和牌号2的电机所需材料和成本对比,成本差价为同一规格电机采用牌号1与牌号2的成本差值。
从上表可以看出牌号2要达到牌号1的性能,主要靠增加有效材料,牌号2均比牌号1材料用的多,材料用量和成本增加均随功率等级增加。
综上所述,采用牌号1和牌号2分别进行电磁方案试算,在相同电磁方案情况下,采用牌号1比牌号2铁耗降低很多,电动机效率有了很大提高;在相同电磁性能情况下,牌号1比牌号2节省材料和成本。
故在整个高效电机系列设计过程中定转子铁心材料选择采用牌号1,冷轧硅钢片50WW600。
3、超高效电机硅钢片选择
(1)不同规格电动机损耗分布情况
根据经验,在超高效电动机方案试算中拟选用2种牌号的冷轧硅钢片进行对比试算,冷轧硅钢片牌号分别为:
冷轧硅钢片50WW470:
B50≥1.67(T),P15/50≤3.57W/kg;
冷轧硅钢片50WW350:
B50≥1.67(T),P15/50≤2.91W/kg;
我们采用冷轧硅钢片50WW470,结合超高效电动机的部分试算方案发现,部分规格电动机的铁耗占总损耗的比例相对较大。
以下为电机采用冷轧硅钢片50WW470铁耗和铜耗占总损耗的比例图,其中图3-9-图3-11分别为2P、4P、6P电机铜耗和铁耗百分比。
图3-92P电机铜耗和铁耗百分比
图3-104P电机铜耗和铁耗百分比
图3-116P电机铜耗和铁耗损耗百分比
从图3-9-图3-11可以看出来,小功率的电机定子铜耗占总损耗的比例较大,随着功率和机座号减小,铜耗比例有所降低;铁耗则相反,小功率的铁耗比例占总损耗较小,随着功率和机座增大,铁耗比例上升,电机损耗的主要矛盾从铜耗转向铁耗,为此对于大规格电机,需采用更低牌号的冷轧硅钢片,降低铁耗。
(2)采用不同硅钢片的损耗及成本对比
为对比两种牌号冷轧硅钢片对损耗的影响,在电磁性能的电机性能基本一致的情况,分别采用冷轧硅钢片50WW470和冷轧硅钢片50WW350进行试算,不同牌号硅钢片的损耗对比见表3-7。
表3-7不同硅钢片的损耗对比
硅钢片
牌号
定子铜耗
(W)
转子铝耗
(W)
铁耗
(W)
杂散损耗
(W)
机械损耗
(W)
总
损耗
(W)
定子铜耗比例
(%)
铁耗
比例
(%)
50WW470
388
275.2
360.5
264
330
1617.7
23.98
22.28
50WW350
446.5
285.2
290.3
264
330
1616
27.63
17.96
50WW470
388.4
245.6
299.2
222
99
1255
30.95
23.84
50WW350
435
264
237
222
100
1258
34.58
18.84
50WW470
481.8
319.4
336.4
264
99
1500.2
.32.12
22.42
50WW350
524
326.9
265.8
264
100
1480.7
35.39
17.95
50WW470
558.1
251.1
241.6
180
60
1290.7
43.24
18.72
50WW350
596.5
260.1
189.7
180
60
1286.3
46.37
14.75
50WW470
740.9
365.5
604.6
522.5
841.5
3075
24.09
19.66
50WW350
808.2
366.7
511.7
522.5
840
3049.2
26.51
16.78
50WW470
729.6
521.6
697.9
522.5
379.5
2851
25.60
24.48
50WW350
835.3
534.8
569.1
522.5
380
2841.7
29.40
20.03
50WW470
764.6
359.3
570.9
351.5
159.1
2205.4
34.67
25.89
50WW350
940.9
376.8
445.6
351.5
160
2274
41.38
19.60
从表3-7可以看出来,在电磁性能基本一致的情况下,采用冷轧硅钢片50WW350比采用冷轧硅钢片50WW470的电机的铁耗小。
图3-10为2极、4极和6极,采用冷轧硅钢片50WW470和冷轧硅钢片50WW350铁耗所占总损耗比例图,
图3-12H250采用不同硅钢片铁耗比例
从图3-12可以看出来,采用冷轧硅钢片50WW350铁耗比例有所下降,各种损耗分布趋于合理。
表3-8为采用两种牌号硅钢片的电机铁芯增加情况,图24为采用冷轧硅钢片WW470要达到冷轧硅钢片WW350效率铁心长度增加趋势图,横坐标为电机的铁心长度,纵轴为电机的效率。
表3-8不同硅钢片电机铁芯长增加情况
硅钢片牌号
效率
铁心长
(mm)
470比350铁
芯长增加量(mm
标准值(%)
计算值(%)
WW470
92.7
93.15
255
50
WW350
92.7
93.16
205
WW470
92.6
93.65
285
55
WW350
92.6
93.63
230
WW470
93
93.62
295
45
WW350
93
93.69
250
WW470
92.1
92.08
260
40
WW350
92.1
92.1
220
WW470
94.3
94.71
275
60
WW350
94.3
94.75
215
WW470
94.3
95.07
300
65
WW350
94.3
95.09
235
WW470
93.3
94.37
250
65
WW350
93.3
94.21
185
图3-13效率随着铁心长度增加情况
从图3-13可以看出来铁心长度增加效率增加,但是铁心长度在300mm时效率及电机性能达到接近采用冷轧硅钢片WWW350的效率和性能,说明采用冷轧硅钢片WW350可以明显提高电机效率,而且节省材料、缩短电机长度、减少电机的体积。
采用低损耗的硅钢片能有效的降低铁耗,但是低损耗硅钢片的价格较高,必须考虑采用冷轧硅钢片成本问题,表3-9为相同性能的前提下采用两种牌号硅钢片的材料和成本对比。
表中:
铝单价为15.8元/kg,冷轧硅钢片50WW470单价为9元/kg,冷轧硅钢片50WW350的单价为10.01元/kg,铜单价58元/kg,材料及成本差值为采用冷轧硅钢片50WW470电机材料总成本减去采用冷轧硅钢片50WW350电机材料总成本。
表3-9采用不同牌号冷轧硅钢片电动机材料成本对比
硅钢片
牌号
效率
铜重
差值
(kg)
铝重
差值(kg)
铁重
差值(kg)
成本
差价(kg)
标准值(%)
计算值
(%)
50WW470
84.2
85.09
0.04
0.0423
0.804
-7.37
50WW350
84.2
85.09
50WW470
85.3
85.95
0.19
0.042
1.607
-5.02
50WW350
85.3
85.97
50WW470
.81.0
81.67
0.1063
0.0829
2.41
-0.22
50WW350
81.0
81.73
50WW470
91.2
91.88
0.913
0.209
11.145
24.32
50WW350
91.2
91.88
50WW470
91.4
92.29
0.802
0.3171
13.928
29.67
50WW350
91.4
92.29
50WW470
89.1
90.49
0.342
0.3016
11.145
21.51
50WW350
89.1
90.49
50WW470
92.7
93.15
1.866
0.543
34.398
283.95
50WW350
92.7
93.16
50WW470
92.6
93.65
3.238
1.37
37.838
180.73
50WW350
92.6
93.63
50WW470
93.0
93.62
2.277
0.9821
30.96
104.93
50WW350
93.0
93.69
50WW470
92.1
92.08
1.043
0.931
27.519
94.81
50WW350
92.1
92.1
50WW470
94.3
94.71
3.433
1.803
88.793
477.781
50WW350
94.3
94.75
50WW470
94.3
95.07
6.259
2.343
96.193
514.49
50WW350
94.3
95.09
50WW470
93.3
94.37
5.245
2.706
96.192
589.219
50WW350
93.3
94.21
结论
通过使用牌号1和牌号2,对电动机的性能及整体材料成本对比,对高效率系列电动机采用牌号1,冷轧硅钢片50WW600;针对超高效大功率电动机铁耗占总损耗比例大的特点,在超高效大功率的电动机上采用铁损耗更低的硅钢片,综合考虑电动机性能和成本后,材料单价为设计时的价格,目前价格可能会波动但对硅钢片材料选取的结论影响不大,故H80-H160机座采用冷轧硅钢片50WW470,H180-H355机座采用冷轧硅钢片50WW350。
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