06.11 變頻壓縮機電動機衝片退火對鐵損性能變化的實驗研究

壓縮機作為一個高精度高要求的機電產品,其中電動機部份又被稱為其“心臟”,是電能轉換成機械能的重要部件。電動機性能直接影響了壓縮機的整機性能,如何有效提升電動機性能和降低製造及工藝成本是一項重點和難點。

電動機鐵心一般用一定厚度的無取向硅鋼片衝切成要求的衝片並層疊成形,在衝剪成定轉子衝片的製程中,鋼帶受到剪切力等作用使衝片局部產生塑性變形,硅鋼片受到機械應力和應變的影響,從而使得電動機衝片沿分離線1mm左右的邊緣磁疇會引起破壞、晶格會發生畸變、晶粒會產生彎曲等情況[1]。

定轉子硅鋼衝片的導磁性能會惡化、鐵心鐵損會升高、磁感會降低,另外衝片的槽口受衝剪邊緣效應的影響,磁阻會增大,等效於氣隙長度加大,致使勵磁電流升高,電動機功率因數下降;同時齒部的磁密增加,電動機的鐵損也會增加,最終會使電動機的效率和性能下降[2]。

一般電動機廠家採用對定轉子衝片進行退火蘭化的熱處理方式,以達到消除內應力,恢復改善材料原有的磁性能,蘭化膜起到表面防鏽功能。而要進行退火處理需要將已衝切成型的定轉子衝片放到熱處理爐裡進行加熱處理,一般退火處理要加熱到近800℃的高溫,這就需要花費較大的能源和時間。

而隨著國民經濟的發展和綠色低碳環保要求的不斷提升,變頻壓縮機的應用也日益廣泛,永磁交流同步或永磁無刷直流等電動機技術也已較為成熟應用於變頻壓縮機中。對於一般只在50Hz工頻運行的固定頻率工作的壓縮機,其電動機的極對數又相對要少[3],而變頻壓縮機電動機的極對數就要多些,其運行頻率一般有超過100Hz的變化範圍,而變頻壓縮機在實際工作中會有較多時間在高頻率高轉速下工作。

針對這個實際情況,需要進一步分析電動機在各頻率點的磁感鐵損值,通過對比退火硅鋼片與未經退火處理的電動機鐵心的鐵損磁感等的差異分析,結合電動機效率及變頻壓縮機整機性能等多方面來評價其綜合性能與工藝成本的關係。

影響鐵損因素的理論研究

鐵損同頻率間的關係(略)

所謂電動機鐵損是指將硅鋼片處於交變的磁場中磁化下所消耗的鐵心功耗,一般以單位重量內的功率損耗進行度量。根據Bertotti等人提出的當鐵磁性材料在交變磁場的作用下,磁性材料所產生損耗發熱的不同鐵心損耗分離理論,進而進行分離疊加後,求得鐵磁材料總的損耗值。鐵損一般包括三部分,即磁滯損耗、渦流損耗、附加損耗[4]。

磁導率同頻率間的關係

除了上述電動機鐵損與頻率間成正比關係外,還不應忽視頻率對磁導率所產生的影響,因此需要掌握在不同所用頻率下的材料磁化特性。磁感應強度同磁化頻率間成反比關係,即隨著磁化電流頻率的降低,磁感應強度會升高,而磁化電流頻率升高,磁感應強度就會下降。

當採用磁感應強度相對比較高的磁性材料時,在電動機設計時可以忽略工作頻率對電動機性能的影響。一般來說,頻率對磁感應強度的影響也只發生於磁化電流出現拐點的以下部位[7]。

對於衝切成型的定轉子硅鋼衝片進行退火處理的目的主要是促進電動機硅鋼衝片中在高溫下晶粒重新組合生長,恢復晶體顆粒的有序排列,達到消除因衝剪過程中所產生的內應力,晶粒組合長大後達到降低磁滯損耗的作用,但同時晶粒長大也會使渦流損耗增加[8]。

對於固定工頻的感應電動機,在頻率稍低情況下電動機的鐵心鐵損中磁滯損耗占主導地位[9]。因此,從對電動機鐵心的鐵損、磁感同頻率間關係的研究,在鐵心不同熱處理方式後進行不同頻率段的對比測試,值得進行相關研究和實驗。針對此研究,進行了退火蘭化與不退火只蘭化處理變頻機的電動機鐵心、定轉子和壓縮機整機不同頻率段的鐵損值對比測試。

本文只針對某型號的變頻壓縮機電動機進行了退火處理與不退火處理的對比實驗測試,如選用極對數更多及硅鋼片厚度更薄的衝片,根據理論研究對比實驗結果將會更加明顯。

變頻壓縮機的電動機啟動運行是通過變頻板來控制的,電動機運行轉速由低到高變化範圍較大,且其極對數比定頻壓縮機要多,因為不退火只進行蘭化處理的硅鋼片較退火蘭化處理的硅鋼片在高頻率時渦流損耗相對要低,使得總的電動機鐵心鐵損下降明顯,這樣會對電動機的效率、壓縮機的性能以及冰箱等製冷設備的能效產生較好的提升,達到高效節能的效果。

因此如對於在冰箱上經常處於高轉速運行的變頻壓縮機來說,電動機鐵心可採用不退火只進行蘭化處理即可提高電動機性能降低功耗,而且可以降低生產製造成本和縮短熱處理時間,減少工序有效提升效能。這對於考慮綜合性能及成本因素的電動機制造廠家來說,在電動機產品的設計和工藝佈局上,提供了有效的實驗支撐。


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