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        拼接成型對非晶定子鐵心的磁性能影響

        2019-02-25 10:17:06李山紅李立軍賈春波李德仁盧志超
        微特電機 2019年2期
        關(guān)鍵詞:塊數(shù)沖片硅鋼

        李山紅,李立軍,賈春波,李德仁,盧志超

        (1.鋼鐵研究總院,北京 100081; 2.中國鋼研科技集團有限公司安泰科技股份有限公司,北京 100081)

        0 引 言

        非晶態(tài)合金與硅鋼片相比,具有優(yōu)異的磁性能,其磁導(dǎo)率高于硅鋼片,而損耗不到硅鋼片的二分之一[1-2],已經(jīng)被成功應(yīng)用于變壓器上,可使非晶變壓器的空載損耗降低到硅鋼變壓器的30%以下。

        2016年,國內(nèi)非晶帶材產(chǎn)量近10萬噸,銷量8.5萬噸;2017年,國內(nèi)非晶帶材銷量在8.5萬噸左右。國產(chǎn)非晶帶材產(chǎn)業(yè)化的迅猛發(fā)展,為非晶電機的大規(guī)模應(yīng)用提供了產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。

        非晶電機在近些年來也取得了很大的進步,湘電萊特和日立金屬已經(jīng)開發(fā)出商品化的非晶電機,且性能優(yōu)于硅鋼電機,非晶電機在未來的可行性也得到了充分的驗證。

        由于非晶態(tài)合金帶材的帶寬受到了限制,目前市面上最寬的非晶帶材為213 mm,因此使得生產(chǎn)大功率的電機受到了局限。當(dāng)非晶定子鐵心外徑尺寸大于213 mm時,需要采取多塊拼接成型的方式來制備鐵心。而采用拼接的方式來制備電機鐵心,必然會引起鐵心損耗的增加,本文主要研究拼接成型的非晶定子鐵心應(yīng)用于非晶電機的可行性。

        1 實 驗

        名義成分為Fe80Si9B11的鐵基非晶合金帶材采用平面流鑄帶方法制備,帶材厚度為25 μm~27 μm,寬為50 mm,表面光潔。先將50 mm寬的非晶態(tài)金屬帶材沖成110 mm長的沖片,再將沖片疊片成寬50 mm,長110 mm,高20 mm的非晶棒,然后再將非晶棒在臥式爐中熱處理,熱處理工藝為390 ℃保溫90 min。將熱處理后的非晶棒放入環(huán)氧樹脂與乙酸乙酯重量百分比為1∶5的浸漆液中浸漆1 h后再170 ℃保溫2 h固化,然后將非晶棒切割成外徑40 mm,內(nèi)徑20 mm和長度20 mm的非晶定子鐵心,分別為整體、兩塊拼接、三塊拼接和四塊拼接,最后將鐵心進行除銹、酸洗和防銹處理。并用同樣的熱處理和浸漆固化工藝,制備了一個外徑40 mm,內(nèi)徑20 mm,疊厚20 mm的非晶沖片疊層定子鐵心。鐵心的質(zhì)量為83 g,疊片系數(shù)為0.92。

        制得的定子鐵心如圖1所示。

        圖1 整體和不同塊數(shù)拼接成型線切割鐵心

        采用IWATSU測試系統(tǒng),測量沖片鐵心、不同塊數(shù)拼接線切割鐵心和加氣隙線切割鐵心50 Hz下的磁化曲線和50~800 Hz下的損耗。

        2 結(jié)果與討論

        圖2和圖3給出了線切割后未處理的鐵心和經(jīng)過除銹、酸洗和防銹處理的鐵心與沖片浸漆固化鐵心的磁性能對比曲線。圖2為頻率從50~800 Hz時,磁感應(yīng)強度為1.0 T的鐵損變化曲線,圖3為50 Hz下的B-H曲線。

        圖2 切割后未處理的鐵心和經(jīng)過處理的鐵心與沖片浸漆固化鐵心的損耗對比曲線

        圖3 線切割后未處理的鐵心和經(jīng)過處理的鐵心與沖片浸漆固化鐵心的磁化曲線

        由圖2可知,沖片的鐵心損耗最低,線切割后經(jīng)過處理的鐵心與未處理的鐵心相比,在800 Hz,1.0 T下的損耗由7.8 W/kg降低到7.0 W/kg,鐵心損耗降低了10.26%。由圖3可知,在同樣的激磁條件下,沖片鐵心的Bm值最高,線切割后經(jīng)過處理的鐵心與未處理的鐵心相比,在激磁條件為50 Hz,Hm=1 200 A/m時,整塊鐵心Bm值由1.22 T增加到1.25 T,增加了2.40%。

        圖4和圖5分別為沖片鐵心端面和線切割后經(jīng)過處理的鐵心切縫表面顯微形貌。比較圖4和圖5可得,鐵心經(jīng)線切割后,切割面的表面相鄰層的帶材融合在一起,看不到非晶帶材層與層之間的間隙。這是因為在線切割過程中,電火花的瞬時高溫可以使切割面帶材熔化成一體,在切割面電蝕出很多小坑,并改變了Fe80Si9B11非晶線切割鐵心切割面的物相結(jié)構(gòu)。

        圖4 Fe80Si9B11非晶沖片鐵心切口面顯微形貌

        圖5 Fe80Si9B11非晶線切割鐵心切割面顯微形貌

        圖6和圖7給出了兩塊拼接的鐵心不加氣隙與加上氣隙0.25 mm的磁性能對比曲線。圖6為在頻率從50~800 Hz時磁感應(yīng)強度為1.0 T的鐵損變化曲線,圖7為50 Hz下的B-H曲線。

        圖6 兩塊拼接的鐵心不加氣隙與加0.25 mm氣隙的鐵心損耗對比曲線

        圖7 兩塊拼接的鐵心不加氣隙與加0.25 mm氣隙鐵心的磁化曲線

        由圖6可知,加0.25 mm氣隙后鐵心的損耗增加,與未加氣隙的鐵心相比,在800 Hz,1.0 T下的損耗由9.9 W/kg增加到11.5 W/kg,增加了16.16%。由圖7可知,加0.25 mm氣隙后,在同樣的激磁條件下鐵心的Bm值大幅度降低,在激磁條件為50 Hz,Hm=1 200 A/m時,加0.25 mm氣隙的鐵心與未加氣隙的鐵心相比,Bm值由1.07 T降低到0.79 T,降低了26.17%。這說明氣隙的增加會使得定子鐵心的磁性能惡化。

        圖8和圖9為整體和不同塊數(shù)拼接成型線切割鐵心與0.3 mm無取向硅鋼的磁性能對比曲線。圖8為在頻率從50~800 Hz時磁感應(yīng)強度為1.0 T的鐵損變化曲線,圖9為50 Hz下的B-H曲線。

        圖8 整體和不同塊數(shù)拼接成型線切割鐵心與0.3 mm無取向硅鋼損耗對比曲線

        圖9 整體和不同塊數(shù)拼接成型線切割鐵心與0.3 mm無取向硅鋼的磁化曲線

        由圖8可知,鐵心隨著拼接塊數(shù)的增加,損耗依次增加,在800 Hz,1.0 T下整塊鐵心損耗最低,為9.2 W/kg;由兩塊拼接成型時,損耗為9.9 W/kg,鐵心損耗增加了7.61%;由塊拼接成型時,損耗為11.9 W/kg,鐵心損耗增加了29.35%;而當(dāng)拼接塊數(shù)增加到四塊時,損耗為15.3 W/kg,與整塊鐵心相比,鐵心損耗增加了67.39%。厚0.3 mm的無取向硅鋼在800 Hz,1.0 T下的損耗為39.4 W/kg,四塊拼接的鐵心與之相比,損耗降低了61.16%。由此可知,雖然拼接的塊數(shù)增加,會導(dǎo)致鐵心損耗增加,但是與硅鋼相比,損耗還是有很大的優(yōu)勢,拼接鐵心如僅考慮鐵心損耗仍可以替代硅鋼用在電機上。

        由圖9可知,經(jīng)分塊拼接后Fe80Si9B11非晶鐵心的磁導(dǎo)率低于整塊鐵心,且分的塊數(shù)越多,磁導(dǎo)率越低。在激磁條件為50 Hz,Hm=1 200 A/m時,整塊鐵心Bm值最高,為1.30 T;而當(dāng)拼接塊數(shù)增加到四塊時,Bm值為0.91 T,與整塊相比,降低了30%。這是因為鐵心拼接后,塊與塊之間引入了空氣氣隙,而空氣的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于Fe80Si9B11非晶鐵心的磁導(dǎo)率,鐵心的磁路不均勻,與整塊鐵心相比,磁阻增大,很難達到飽和。且拼接的塊數(shù)越多,引入的空氣氣隙越大,鐵心磁化越困難。因此,當(dāng)非晶定子鐵心在用拼接方式成型時,拼接的塊數(shù)越少越好。

        3 結(jié) 語

        本文研究了拼接成型對非晶合金定子鐵心的磁性能影響,得到如下結(jié)論。

        1)非晶定子鐵心的損耗值隨著拼接塊數(shù)的增加依次增加,當(dāng)拼接塊數(shù)增加到四塊時,在800 Hz,1.0 T下的損耗與整塊相比增加了67.39%;但是四塊拼接鐵心的損耗與硅鋼相比仍降低了61.16%。因此,非晶拼接成型定子鐵心應(yīng)用于電機中與硅鋼相比,仍有損耗低的優(yōu)勢,具備應(yīng)用的可行性。

        2)在同樣的激磁條件下,非晶定子鐵心的Bm值隨著拼接塊數(shù)的增加依次減小,而當(dāng)拼接塊數(shù)增加到四塊時,與整塊相比,50 Hz,Hm=1 200 A/m的Bm值降低了30%。

        3)由于受非晶態(tài)合金帶材的帶寬原因,必須采取拼接成型的方式制備非晶定子鐵心時,拼接塊數(shù)越少越好。

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