提高电机效率的传统方法

1引言目前，我国工业用电总量约占发电总量的70%，其中电机的用电总量约占工业用电总量的60%左右，也就是说每年电机所消耗的电量约占发电总量的42%左右。然而，我国目前电机的效率却比发达国家低约10～20%。即使将电机的效率提高1%，都会产生巨大的社会经济效益。提高电机效率的传统方法包括：加长铁心；使用较多、较好的硅钢片以降低铁损；采用合适的槽配合；采用低谐波准正弦绕组等。使用磁性槽楔代替传统的绝缘槽楔已证明是一种经济有效的方法。磁性槽楔是在制造普通槽楔的材料中加入导磁材料，经过热压、固化成型；主要由基体树脂（一般为热固性树脂）、增强玻璃纤维和磁性粉末组成。基体树脂和增强纤维用于提高槽楔的力学性能和耐热性能，而磁性物质则提高了槽楔的导电导磁性能。由于磁性槽楔的导磁系数大，增大定子齿部的有效截面积，降低磁阻；而且使电机的卡氏系数减小，相当于缩短了电机的有效气隙，从而减小了电机的表面损耗和脉振损耗，提高电机效率，同时降低了绕组温升，并能极大地降低振动和噪声水平，延长电机的使用寿命[然而，磁性槽楔在发展与使用过程中仍存在很多问题。使用磁性槽楔后，定子漏抗随着槽楔相对磁导率的提高而增大，将导致电机电流和转矩减小[7~9]。随着磁导率的增高，磁楔在定子中所受的电磁力也随之增大，磁楔的松动和脱落也是经常出现的问题[10,11]。另外，由于磁性槽楔位于电机定子铁心冲片齿部的槽口处，处于电机温度较高的部位，承受着气隙磁场各种交变力的作用。所以，对槽楔的力学性能、电性能和磁性能均有较高的要求。国外电机行业已经广泛使用磁性槽楔取代绝缘槽楔，而国内磁性槽楔在电机上的应用才刚起步。为了了解磁性槽楔材料发展现状，本文在相同的试验条件下对国内外产品进行对比试验和分析，总结得出国内与国外产品的差距，并提出改进方法。2性能测试2.1试验样品所有磁性槽楔样品均由厂家提供，其中国内不同厂家样品：1号、2号；国外不同厂家样品：3号、4号。2.2试验方法研究磁楔样品的力学性能、电性能及磁性能，并测试样品密度。实验使用MTSAllianceRF/100型力学试验机，按照ISO178中的测试方法，测试磁楔在23℃、100℃和155℃的抗弯强度和抗弯模量；根据伏安法用TEGAM1750型欧姆计测试磁楔的体积电阻，从而得到材料的电阻率；用LS-7410型振荡磁力计测试磁楔的磁导率和磁感应强度；最后根据排水法用梅特勒托利多XS204型电子天平测量磁楔的密度。为确保实验结果准确性，所有样品均在相同条件下（23℃，湿度45%）进行测试，并根据标准要求每组材料至少选用5个样品以求得平均值。3结果与分析3.1力学性能磁楔样品在进行力学性能测试前，经宏观观察确保所测试样品表面平整无痕，无污渍和缺陷。表1为4组样品在23℃、100℃和155℃保温1h后的抗弯强度、弯曲模量和抗弯强度保持率(抗弯强度保持率为100℃或155℃的抗弯强度与23℃的抗弯强度之比）。表1磁楔的密度、抗弯强度和模量样品密度g·cm－3弯强度弯曲模量MPaGPa100℃抗弯强度弯曲模量抗弯强度MPaGPa保持率/%155℃抗弯强度弯曲模量抗弯强度MPaGPa保持率/%13.3621616.517812.68260.34.542823.2825017.521713.88716010.76433.5420814.919311.9931517.357343.5826719.123815.88923314.187从表1可知，2号样品与4号样品抗弯强度分别优从表1可知，2号样品与4号样品抗弯强度分别优于1号和3号样品，且模量较高，力学性能较好。在室温条件下，1号样品的抗弯强度要稍高于3号样品；但随着温度的升高，1号样品的性能则迅速下降。对于电机槽楔用导磁复合材料，材料的抗弯强度在高温下的力学性能保持率也非常重要。从表1可知，4号样品的抗弯强度在155℃下降最少，而1号样品则下降最多；并且1号样品在100℃时已产生了较大程度的下降。由此可知，国内样品可达到较高力学性能，但在高温工况下（155℃），力学性能较常温时有大幅度下降。反观国外产品，在严酷的环境下，其力学性能至少能保持其常温强度的73%以上，从而使磁性槽楔稳定运行，这可能与国外产品的高强度基体树脂体系有关。复合材料力学性能首先与界面性能有关：在纤维增强树脂体系中，纤维是主要承力部分，荷载在基体中主要是通过界面向纤维传递，纤维起阻止裂纹断裂后的扩张和传递的作用。树脂体系是纤维的载体，如果树脂与纤维相容性不好，纤维很容易从树脂中脱出，达不到增强的效果。如果使用改性的基体树脂体系，树脂的流动性增强，与纤维相容性提高，并且可加强对磁粉的包裹，改善磁性槽楔的力学性能其次，复合材料中的孔隙也将影响其力学性能：磁粉层中的铁粉是靠其表面少量树脂和压力作用相互粘结在一起，粘结强度不高；并且铁粉粒径较大，铁粉间的啮合也较少，均会导致磁粉中出现较多孔隙。如果用粒径较小且均匀的纳米晶磁粉代替铁粉，可使磁粉与树脂之间形成有效粘结，使应力均匀分布在磁粉层，从而提高力学性能。另外，磁性槽楔的密度主要由铁粉的含量决定；密度高的磁楔其磁性能也更为优异。因此，密度是磁性槽楔综合性能的直观反映。从表1可知，国内样品的密度明显低于国外样品。如何能使磁楔的磁性能和密度大幅度提高，同时也不损失它的力学性能和电性能，是国产磁楔厂家需要重点攻克的问题。总之，通过使用高强度的树脂体系使玻纤树脂层间的粘结作用加强；用小粒径的纳米晶磁粉减少复合材料中气孔等方法均有利于改善磁性槽楔的力学性能，提高运行稳定性.3.2磁性能四种样品的磁导率和磁感应强度测试结果如图1、2所示。从图1可以看出，3号样品的相对磁导率最高，其次是4号和1号样品，2号样品最低。在图2中，除2号样品外，其余样品在10~30kA/m的磁场中均有较理想的磁感应强度。可见，性能较好的国内样品与国外样品的磁性能相差不大。众所周知，较高的磁导率有利于降低电机的铁损。磁导率增高，会使磁密分布更均匀，脉振幅值减小，磁密最小值增加，铁耗明显减小。但磁导率不能过大，否则会引起磁性槽楔的涡流损耗，使得磁楔加速老化。而且随着磁楔导磁性能的增强，电机空载电流和起动电流不断减小，使电机启动转矩和最大转矩减小[13]，这对于过载要求较高的运行工况而言十分不利。因此，应根据电机的实际运行要求选择磁性槽楔的性能参数目前最常用的磁性材料是氧化还原铁粉。如果换用高磁导率的磁性材料，例如铁基软磁材料、MnZn软磁铁氧体和纳米晶软磁材料等，可减少磁粉用量并且提高磁性能。3.3电性能用伏安法测试材料的电阻，再根据电路的欧姆定律得到电阻率，结果如表2所示。因为磁性槽楔分为绝缘的树脂基体和导电的磁性粉末，因此，材料的电阻率是不均一的数值。从结果可知，国内样品的电阻率明显低于国外产品.虽然磁楔的主要作用是紧固定子槽中的绝缘绕组、减小振动，通常不要求其绝缘强度；但是磁楔要具有优异的磁导率和很高的电阻率才能实现最佳节能效果。电阻率较低是由于制作过程中大量铁粉的加入和压力作用下部分铁粉的粘连造成的。电阻率较低，会导致磁楔中涡流损耗上升，加大电机的损耗和温升。为了提高磁性槽楔的电性能，可以尝试用电阻率很高的软磁铁氧体粉末来制作磁楔，使其绝缘性能得到有效提高[14]。用无机物粉末或热固性树脂作为软磁铁粉间绝缘包覆的介质，对颗粒表面进行绝缘化处理的方法既可以提高磁性槽楔的电阻率，降低涡流损耗，又可以提高磁楔的致密度和磁性能[15,16]。除了前面提到的改进方法，加工制备过程也可以改进，以提高磁楔密度。例如现在国内的磁性槽楔制备过程中，一般没有保护气氛，较高的成型温度（160~200℃）和较长的成型时间（120~180min）很容易引起磁粉氧化，影响其磁性能。可以尝试不同的树脂固化温度和时间，或者使用快速大吨位压，机减少层压成型时间来改善加工工艺。4结语试验表明，4号样品的性能最好。其次3号样品的磁导率最高，但抗弯强度稍差。1号样品磁导率尚可，但是抗弯强度随着温度升高下降显著，且电阻率较低。综合各种性能，国内样品与国外样品还是有着不小的差距。如前所述，改善树脂体系、使用粒径较小且均匀的磁粉将极大地改善磁