(中船重工電機科技股份有限公司，山西太原 030027)

0 引言

高效率發(fā)電機的設計特點是能夠滿足客戶節(jié)約能源、降低運行成本的需求，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、壓實在一起，保證在后面工序過程中不松動、不變形，鐵心質(zhì)量關系到電機的電磁性能和機械性能。高效率發(fā)電機的一個重要指標就是控制發(fā)電機的損耗，損耗越小，發(fā)電機效率就越高。硅鋼片的層間絕緣，鐵心疊壓的緊密度，疊壓壓力等都會影響到鐵耗，所以優(yōu)化鐵心疊壓工藝，有效降低高效電機的鐵耗，對于提高發(fā)電機效率至關重要。

1 理論分析及鐵損耗最大值計算

(1)

(2)

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

工廠用的鐵耗計算方法是在式(1)的基礎上，附加經(jīng)驗系數(shù)，其表達方程如下

(3)

經(jīng)驗系數(shù)k包括齒部經(jīng)驗經(jīng)驗系數(shù)和扼部經(jīng)驗系數(shù)。

I0=Bg(Rgc+Rtc)/KW

(4)

P0cu1=1.5I02R0

(5)

Pcon=PFe+Pfw=P0-P0cul

(6)

通過式(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，鐵心的結構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，若疊片壓力過小，導致疊壓不緊，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，機械損耗僅與轉速有關，可以認為是常數(shù)，根據(jù)式(5)和式(6)，電機鐵耗變會變大。若疊片壓力過大，片間絕緣會遭到破壞，毛刺會連接在一起，鐵心會成為一個整體，渦流就會增加，造成空載電流的增加，最終導致鐵耗的變大。因此采取合適的疊壓壓力和工藝方法是降低鐵耗的關鍵。

本文采用二次疊壓技術，以某型同步發(fā)電機為例，鐵耗的理論計算以及檢測鐵心鐵耗所需電參數(shù)計算如下：(1)硅鋼片牌號選用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)電機定子鐵心有關計算參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機定子鐵心有關計算參數(shù)

注：根據(jù)GB/T 20835—2016《發(fā)電機定子鐵心磁化試驗導則》，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)計平均值：對于直流電機ka=3.6；對于同步和感應電機，當容量PN<1000kVA時，ka=1.5；當容量PN>1000kVA時，ka=1.3；

通過式(7)計算：Pj=1746.6W。

測試線圈電壓的計算

U2=4.44W2fBjSj

(8)

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

通過式(8)計算：U2=111.5V。

勵磁電流的計算

I1=(D1-hs)πH/W1

(9)

式中，I1—勵磁電流(A)；D1—定子鐵心外徑(m)；hs—定子鐵心軛高(m)；H—1.4T下的磁感應強度(A/m)，根據(jù)交流所選用硅鋼材料廠家磁化曲線查H=500；W1—測量繞組的匝數(shù)，取10；通過式(9)計算：I1=112A。

勵磁容量的計算

S=1.1(W1/W2)U2I1×10-3

(10)

式中，S—勵磁容量(kVA)；通過式(10)計算：S=13.7kVA。

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

2 鐵心制造工藝要求

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

(1)鐵心沖片沖制采用六工位智能沖壓制造工藝，具備自動上料、定位、定子沖槽、定子出料、轉子沖槽、轉子出料等功能。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號鐵心采用二次疊壓技術，理論分析可有效降低鐵損。

3 定子鐵損試驗

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

準備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；按照圖示要求，將70mm2電纜和2.5mm2電纜在鐵心上均纏繞10匝，分別作為勵磁線圈和測試線圈,測試線圈與勵磁線圈相差90°，如圖1所示。

圖1勵磁線圈與測試線圈

通電前，用500V絕緣電阻測試儀測量勵磁及測量線圈對地絕緣電阻，應大于10МΩ。

要求電量測量精度達到0.2級，功率測量采用低功率因數(shù)瓦特表。

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

按照下式計算定子鐵心軛部鐵損耗Pj

Pj=P1-I12R1

(11)

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

合格判據(jù)

定子鐵心軛部鐵損耗Pj不大于1.7kW。

4 試驗數(shù)據(jù)分析

依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)式(11)計算鐵心軛部鐵損耗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臺鐵心Pj全部小于1.7kW，因此4臺鐵心全部合格。通過試驗數(shù)據(jù)分析，二次疊壓工藝可降低鐵心鐵損耗。

5 結語

經(jīng)過上述在一定基礎上理論分析以及計算，并通過實際試測試，改進鐵心疊壓工藝，控制高效電機鐵心制造質(zhì)量，可有效控制高效電機鐵耗，保證滿足設計要求，提高電機性能。