Факторы, влияющие на потребление основного железа.
Для анализа проблемы нам сначала необходимо ознакомиться с некоторыми основными теориями, которые помогут нам ее понять. Во-первых, нам нужно знать два понятия. Первое — это переменная намагниченность, которая, проще говоря, возникает в железном сердечнике трансформатора и в зубцах статора или ротора двигателя; второе — это вращательная намагниченность, которая создается ярмом статора или ротора двигателя. Существует множество статей, которые исходят из этих двух точек зрения и рассчитывают потери в железе двигателя на основе различных характеристик в соответствии с вышеуказанным методом решения. Эксперименты показали, что листы кремнистой стали демонстрируют следующие явления при намагничивании двумя свойствами:
Когда плотность магнитного потока ниже 1,7 Тесла, потери на гистерезис, вызванные вращательным намагничиванием, больше, чем потери на гистерезис, вызванные переменным намагничиванием; когда она выше 1,7 Тесла, верно обратное. Плотность магнитного потока в ярме двигателя обычно находится в диапазоне от 1,0 до 1,5 Тесла, и соответствующие потери на гистерезис при вращательном намагничивании примерно на 45–65% больше, чем потери на гистерезис при переменном намагничивании.
Конечно, приведенные выше выводы также используются, и я лично не проверял их на практике. Кроме того, при изменении магнитного поля в железном сердечнике в нем индуцируется ток, называемый вихревым током, а потери, вызванные им, называются вихревыми потерями. Для уменьшения вихревых потерь железный сердечник двигателя обычно не может быть выполнен в виде цельного блока, а аксиально укладывается изолированными стальными листами, чтобы предотвратить поток вихревых токов. Конкретная формула расчета расхода железа здесь не будет сложной. Базовая формула и значение расчета расхода железа из Baidu будут очень понятны. Далее приводится анализ нескольких ключевых факторов, влияющих на расход железа, чтобы каждый мог также напрямую или косвенно решить эту проблему в практических инженерных приложениях.
После обсуждения вышеизложенного, почему процесс штамповки влияет на расход железа? Характеристики процесса штамповки в основном зависят от формы штамповочных станков и определяют соответствующий режим сдвига и уровень напряжения в соответствии с потребностями различных типов отверстий и канавок, тем самым обеспечивая условия для зон с малым напряжением по периферии ламинированного листа. Из-за взаимосвязи между глубиной и формой, часто возникают острые углы, в результате чего высокие уровни напряжения могут вызывать значительные потери железа в зонах с малым напряжением, особенно на относительно длинных кромках сдвига в пределах ламинированного листа. В частности, это происходит в основном в ячеистой области, которая часто становится объектом исследований в реальном процессе. Листы из кремнистой стали с низкими потерями часто характеризуются более крупными размерами зерен. Удар может вызывать образование заусенцев и разрывное смещение на нижней кромке листа, а угол удара может оказывать существенное влияние на размер заусенцев и зоны деформации. Если зона высоких напряжений распространяется вдоль зоны деформации края внутрь материала, то зернистая структура в этих областях неизбежно претерпит соответствующие изменения, скрутится или разрушится, и произойдет сильное удлинение границ вдоль направления разрыва. В это время плотность границ зерен в зоне напряжений в направлении сдвига неизбежно увеличится, что приведет к соответствующему увеличению потерь железа в этой области. Таким образом, в этот момент материал в зоне напряжений можно рассматривать как материал с высокими потерями, который располагается поверх обычной слоистости вдоль ударной кромки. Таким образом, можно определить фактическую константу материала кромки, а также фактические потери на ударной кромке, используя модель потерь железа.
1. Влияние процесса отжига на потери железа.
Основные факторы, влияющие на потери железа, связаны с листами кремнистой стали, где механические и термические напряжения изменяют фактические характеристики. Дополнительные механические напряжения приводят к изменению потерь железа. В то же время, постоянное повышение внутренней температуры двигателя также способствует возникновению проблем с потерями железа. Эффективные меры по отжигу для снятия дополнительных механических напряжений окажут благоприятное воздействие на снижение потерь железа внутри двигателя.
2. Причины чрезмерных потерь в производственных процессах
Листы из кремниевой стали, являющиеся основным магнитным материалом для двигателей, оказывают существенное влияние на их производительность благодаря соответствию проектным требованиям. Кроме того, характеристики листов из кремниевой стали одной и той же марки могут различаться у разных производителей. При выборе материалов следует отдавать предпочтение продукции от надежных производителей кремниевой стали. Ниже приведены некоторые ключевые факторы, которые уже встречались ранее и которые действительно влияли на расход железа.
Лист кремнистой стали не был должным образом изолирован или обработан. Такую проблему можно обнаружить в процессе тестирования листов кремнистой стали, но не все производители электродвигателей имеют такой испытательный стенд, и зачастую производители электродвигателей не всегда хорошо распознают эту проблему.
Повреждение изоляции между листами или короткое замыкание между листами. Этот тип проблем возникает в процессе изготовления чугунного сердечника. Если давление во время ламинирования чугунного сердечника слишком высокое, это приводит к повреждению изоляции между листами; или если после штамповки образуются слишком большие заусенцы, их можно удалить полировкой, что приводит к серьезному повреждению изоляции штампованной поверхности; после завершения ламинирования чугунного сердечника, если канавка неровная, используется метод шлифовки; в качестве альтернативы, из-за таких факторов, как неровность отверстия статора и неконцентричность между отверстием статора и кромкой посадочного места станка, для коррекции может использоваться токарная обработка. Традиционное использование этих процессов производства и обработки двигателей фактически оказывает существенное влияние на производительность двигателя, особенно потери в железе.
При использовании таких методов, как обжиг или нагрев электрическим током для разборки обмотки, может произойти перегрев железного сердечника, что приведет к снижению магнитной проводимости и повреждению изоляции между листами. Эта проблема в основном возникает при ремонте обмотки и двигателя в процессе производства и обработки.
Сварка многослойных конструкций и другие процессы также могут повредить изоляцию между слоями, увеличивая потери от вихревых токов.
Недостаточный вес железа и неполное уплотнение между листами. В конечном итоге это приводит к недостаточному весу железного сердечника, а наиболее прямым следствием является превышение допустимого тока, при этом потери железа могут превышать стандартные значения.
Слишком толстый слой покрытия на листе кремниевой стали приводит к чрезмерному насыщению магнитной цепи. В результате кривая зависимости тока холостого хода от напряжения сильно изгибается. Это также является ключевым элементом в процессе производства и обработки листов кремниевой стали.
В процессе производства и обработки чугунных сердечников может нарушаться ориентация зерен листовой стали, используемой для штамповки и резки, что приводит к увеличению потерь в железе при той же магнитной индукции; для двигателей с регулируемой частотой вращения следует также учитывать дополнительные потери в железе, вызванные гармониками; этот фактор необходимо всесторонне учитывать в процессе проектирования.
Помимо вышеуказанных факторов, расчетное значение потерь в железе двигателя должно основываться на фактическом производстве и обработке железного сердечника, и необходимо приложить все усилия для обеспечения соответствия теоретического значения фактическому. Характеристические кривые, предоставляемые поставщиками материалов, измеряются методом Эпштейна с использованием квадратной катушки, однако направление намагничивания различных частей двигателя различно, и эти специфические потери в вращающемся железе в настоящее время не могут быть учтены. Это может привести к различной степени несоответствия между расчетными и измеренными значениями.
Методы снижения потерь железа при проектировании инженерных конструкций.
Существует множество способов снижения расхода железа в машиностроении, и самое важное — подобрать решение, соответствующее конкретной ситуации. Конечно, речь идёт не только о расходе железа, но и о других потерях. Самый фундаментальный способ — это выяснение причин высоких потерь железа, таких как высокая магнитная плотность, высокая частота или чрезмерное локальное насыщение. Разумеется, при обычном подходе, с одной стороны, необходимо максимально приблизиться к реальности с помощью моделирования, а с другой — процесс сочетается с технологиями для снижения дополнительного расхода железа. Наиболее распространённый метод — это увеличение использования высококачественной кремнистой стали, и независимо от стоимости можно выбрать импортную сверхкремнистую сталь. Конечно, развитие отечественных новых энергетических технологий также способствовало улучшению развития в производственной и перерабатывающей отраслях. Отечественные металлургические заводы также выпускают специализированную продукцию из кремнистой стали. Компания Genealogy предлагает хорошую классификацию продукции для различных сценариев применения. Вот несколько простых способов решения этой проблемы:
1. Оптимизация магнитной цепи
Оптимизация магнитной цепи, если быть точным, — это оптимизация синусоидального поля. Это крайне важно не только для асинхронных двигателей с фиксированной частотой. Асинхронные двигатели с переменной частотой и синхронные двигатели имеют решающее значение. Работая в текстильной машиностроительной отрасли, я изготовил два двигателя с разными характеристиками для снижения затрат. Конечно, самым важным было наличие или отсутствие скошенных полюсов, что приводило к непостоянным синусоидальным характеристикам магнитного поля в воздушном зазоре. Из-за работы на высоких скоростях потери в железе составляют значительную долю, что приводит к существенной разнице в потерях между двумя двигателями. В итоге, после некоторых обратных вычислений, разница в потерях в железе двигателя при использовании алгоритма управления увеличилась более чем в два раза. Это также напоминает всем о необходимости сопряжения алгоритмов управления при создании двигателей с регулируемой частотой вращения.
2. Снижение магнитной плотности
Увеличение длины железного сердечника или увеличение площади магнитной проводимости магнитной цепи приводит к снижению плотности магнитного потока, но при этом соответственно увеличивается количество железа, используемого в двигателе;
3. Уменьшение толщины железной стружки для снижения потерь наведенного тока.
Замена горячекатаных листов кремнеземной стали на холоднокатаные листы кремнеземной стали может уменьшить толщину листов кремнеземной стали, но при этом увеличится количество стружки и себестоимость производства двигателя;
4. Использование холоднокатаных листов кремнистой стали с хорошей магнитной проводимостью для уменьшения потерь на гистерезис;
5. Применение высокоэффективного изоляционного покрытия из железной стружки;
6. Технология термообработки и производства.
Остаточные напряжения после обработки железной стружки могут серьезно повлиять на потери в двигателе. При обработке листов кремнистой стали направление резки и напряжение сдвига при пробивке оказывают существенное влияние на потери железного сердечника. Резка вдоль направления прокатки листа кремнистой стали и проведение термообработки листа кремнистой стали могут снизить потери на 10–20%.
Дата публикации: 01.11.2023
