提高电机效率采取的工艺措施_提高电动机效率的方法
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提高电机效率采取的工艺措施
2013-04-15 16:28:40
作者：电机工程师网 点击：278543 次 字号:小 大
提高电机效率的有效途径是：增加有效材料用量，以降低线组电阻损耗；采用损耗较低、导磁性能较好的导磁材料；由于降低了铜耗和铁耗，可采用较小的风扇，以降低通风损耗；采用适当的设计及工艺措施降低杂散损耗。
这里我们就采取工艺措施降低电机杂散损耗介绍一些实用可行的工艺方法。
1.冲片退火处理工艺
电工钢片在剪切冲裁过程中，沿切割分离线0.5～3mm宽的边缘，因塑性变形引起的钢片内部应力和物理性能的变化，称冷作硬化现象。冷作硬化区材料硬度增加，导磁性能恶化，铁损增大。因为小电机冲片冷作硬化区相对较大，这种影响特别显著。对于无硅钢片及低损耗钢片这种影响更大。为了消除冷作硬化的影响，常采用退火处理。通过退火处理，消除应力，使材料性能恢复到原来水平。这是提高电机效率的有效途径。退火后，冷轧硅钢片铁损可降低15%以上，磁感平均提高0.5%，电机效率提高幅度超过1%，因此退火工艺是提高电机效率的有效手段之一。
表1列出某厂对电机定子铁心退火处理前后电机性能变化的数据
表1 某电机铁心处理后性能的变化
未处理的定子
项 目 空载电流/A 空载功率/W 堵转转矩/N·m 堵转电流/A 满载输入/W 满载输出/W 满载电流/A 满载转速/r·min-1 满载转矩/N·m 最大转矩/ N·m 效率/% 功率因数 主/副绕组电阻/Ω #1 0.98 31 0.79
#2 0.99 32 0.76
#3 1.00 31 0.76 11.63 165 125 1.26 2938 0.39 1.63 76 0.595 8.1 45.69
通过热处理的定子
平均值 #1 0.99 31.33 0.77
0.89 24 0.84
#2 0.89 26 0.83 11.66 165 124 1.19 2930 0.39 1.64 75.7 0.63 8.22 45.54
#3 0.90 24 0.79 11.63 165 127 1.19 2934 0.39 1.61 76.9 0.63 8.22 45.5
处理后改
平均值 善值/% 0.893 24.66 0.79 11.64 165
-10.8-27 +2.6 +0.38 11.53 11.63 165 120 1.26 2942 0.39 1.60 72.7
165 124 1.25 2940 0.39 1.64 75.7
11.596 11.63 165
165
122.33 129 1.256 2940 0.39 1.623 74.8 0.597
1.19 2936 0.40 1.69 78.1 0.63 8.06 45.68
126.66 +3.54 1.19 2933 0.393 1.646 76.9 0.63
-5.55-0.24 +0.77 +1.42 +2.8 +5.53 0.595 0.6 8.2
8.2 45.68 45.9 45.68 8.2 45.9 8.1 45.69 8.06 45.68 8.22 45.54 8.22 45.5
1.1 冲片退火处理工艺及设备
1.1.1 冲片退火处理工艺
将冲片装入炉内，加热至500℃后恒温，使炉内冲片热透。通入保护气体（惰性气体，如氮气、氢气），再以低于每小时40℃的速度升温至750℃。恒温1～3小时后，以低于每小时40℃的速度降温到500℃，随后冷却至300℃以下出炉。
1.1.2 冲片退火处理设备
退火—氧化处理炉，国内已有些厂家生产，一般都是圆罐形结构（国外一般采用箱式退火—氧化处理线，如德国埃森—LOI工业炉有限公司生产的退火—氧化处理炉），使用中，有很多不便的地方有待改进。
2.冲片氧化处理工艺
为了减少铁心中的涡流损耗，提高电机效率，降低电机温升，铁心冲片间需要有一定的绝缘阻值。
对于异步电动机，我国目前多数企业只对H180及以上的定子冲片进行绝缘处理。因为小型普通异步电动机国家规定的效率标准值较低，散热条件好，冲片不做绝缘处理是可以的，而且冲片不进行绝缘处理，可以提高装压系数，缩短铁心，减少绕组用铜，同时小型普通电机生产量大，省去冲片绝缘处理工艺（特别是涂漆处理工艺），可以节省工时，减少材料消耗，降低成本，提高劳动生产率。但是随我国电机行业的发展，国家、社会对电机效率越来越重视，对电机效率标准的要求也越来越高，特别是高效电机及出口电机，对电机冲片进行绝缘处理已成必然趋势。
2.1 冲片绝缘处理要求
2.1.1 具有足够的绝缘电阻值，在规定的试验条件下，各种电机的绝缘电阻值，可参见表2。
电机类型 绝缘电阻值 汽轮发电机 电枢冲片 ≥80
水轮发电机 电枢冲片 ＞55
中小型交流 电机定子冲片 ＞40
直流电机 电枢冲片 ＞40
异步电机 转子冲片 ＞20
2.1.2 绝缘层应具有足够的机械强度，一定的附着力，在运输和叠压时不致损坏。
2.1.3 绝缘层应均匀而薄，以保证较高的装压系数；应有尽可能小的收缩率，以免在运行中引起铁心松动。
2.1.4 应有较好的耐潮性，较高的耐热性和抗腐蚀能力。
2.1.5 性能稳定，在电机长期运行中，绝缘层的特性保持基本不变。
2.1.6 绝缘处理方法应简单可靠、价格低廉。
2.1.7 良好的冲裁性，有利于模具冲制。
2.2、冲片绝缘处理方法
电机行业采用的对冲片绝缘处理方法，一种是涂漆，另一种是氧化处理。
2.2.1 涂漆处理：又分为两种，一种是硅钢片购入时由硅钢片生产厂直接供给涂了绝缘漆的硅钢片，然后进行冲制。另一种是，冲制后再涂绝缘漆。这两种方法比较起来，后一种为好。先涂漆后冲制，一是造成绝缘漆的浪费（边角料、槽片等不要涂漆的部位都有漆），二是冲裁切面没有涂漆。
2.2.2 冲片氧化处理
冲片冲裁后，用专用设备进行氧化处理。
氧化处理工艺：将冲片成叠放置在氧化设备中，加热，当温度升至550℃时，恒温1～2小时，然后通入水蒸气，1～2小时后，即可停气、停电、出炉。氧化处理与退火处理可用同一种设备，也可分设两种设备，它们的区别是加热温度，氧化为550℃，退火为750℃。因为铁加热后与氧发生化学反应时将生成FeO,这种物质在570℃以下时是不稳定相，即不独立存在，而在570℃以上时，它是稳定相，它已独立存在，而当温度再降至570℃以下时，它将分解出Fe，存在于氧化膜中，这是我们不希望的。所以氧化处理设备，温度控制在550℃以内，且不用在保护气氛中进行。而退火设备最高温度为750℃，要在500℃左右就通入保护气体，防止产生FeO，而且由于FeO的产生，还将发生粘片问题。
2.2.3 氧化原理
所谓氧化，即金属在空气或氧中加热时，其表面部分将转变成氧化物，这种转变即称氧化。
根据以上原理所采用的氧化工艺是：将冲片放置在沙封的罩内，然后加热，使罩内的冲片的温度达到540～550℃时，通入一定的氧化剂，使冲片表面产生一种混合氧化物，即我们称的氧化膜，保温一定时间，使膜达到一定厚度。
氧化剂一般可以采用水蒸气及空气与水蒸气的混合气体。试验室也有采用氧气做氧化剂的。以用水蒸气做氧化剂来说明一下炉内的反应情况：
Fe+H2O———→ FeO+H2↑
3FeO+H2O———→ Fe3O4+H2↑
2Fe3O4+H2O———→ 3Fe2O3+H2↑
上述反应的顺序只有在硅钢片表面没有氧化物时才成立。而热轧硅钢片在制造过程中由于高温且接触氧，其表面已产生了很薄的一层混合物，它主要是由最里层的Fe3O4与Fe的混合物，其次是Fe3O4，最外层是Fe2O3与Fe的混合物组成。因此，氧化时炉内上述三个反应是同时进行的。氧化处理后履盖在冲片表面氧化物是这样分布的，最靠近金属的是Fe3O4与Fe的混合层，之后是Fe3O4与Fe2O3的混合层，最外层是Fe2O3及少量的Fe。从这里不难看出越靠近金属的氧化物，其金属含量越高，而氧含量越少。以上方程式中还可以看出，是先产生FeO，之后产生Fe3O4，再之后转变成Fe2O3。但是FeO本身只有在570℃以上才是稳定相，才能存在，在570℃以下，它是不稳定相，也就是说，当FeO产生之后，随之就转变成Fe3O4，即FeO没有存在的可能。而Fe3O4不论是高温还是低温，其相都是稳定的。Fe3O4转变成Fe2O3是由于充足的氧的作用，使其先失去Fe，之后才转变成Fe2O3。
在570℃以上时FeO成为了稳定相，这时金属表面的氧化物将由三层氧化物组成，最靠近金属的是氧化亚铁（FeO）层，而且是三层中最厚的一层，其次是磁性氧化铁（Fe3O4）层，最外层是氧化铁（Fe2O3）层。当温度由570℃以上降下来时FeO将在570℃时开始，分解为Fe与Fe3O4密合的混合物层（是很厚的一层）。
我们所要得到的氧化膜的主要成分应当是Fe3O4和Fe2O3，相对于Fe比较，它们具有较高的电阻值，我们正是靠这样的混合物膜来减少电机的涡流损耗。但是当氧化膜中渗入Fe的成份后，氧化膜的电阻值显著下降，严重时趋于零，这是我们所不希望的。因此，氧化处理时，温度必须控制在570℃以下使膜中根本不产生FeO。
冲片涂漆处理与氧化处理的本质区别，氧化处理因为是加热至550℃，冲片属低温退火，起到一定的消除冲裁应力的作用，而且切口也产生膜，毛刺经处理后一是经氧化后减小，二是被氧化膜包裹起来，氧化膜属于金属物质，它不影响导磁。所以冲片氧化处理与冲片涂漆处理它们有本质的区别。为了提高效率应优先采用氧化处理。表3 冲片氧化与不氧化电机性能对比
未氧化处理
试验项目 空载电流/A 空载损耗/W 铁 耗/W 效 率 定子温升/℃
标准
93% 70
#1 40.8 3025 1384 93.08 73.2
#2 39.3 3835 1150 93.38 74.9
氧化处理 #1 35.3 1965 748 94.7 50.3
#2 35.2 1843 810 94.8 48.5
3.冲气隙
电机转子铁心外圆一般采用车加工，也就是车气隙。由于车加工时，加工的铁削、毛刺使转子表面连成一片，整个转子表面成为一个整体通路，在这个通路中使铁损耗增大。如果采用冲片冲制时冲出气隙，就可以避免增加这一部分损耗，同时减少转子外圆加工这道工序。据资料介绍，冲气隙比车气隙可降低杂散损耗10%～15%，效率提高0.2%～0.3%。
4.增加铸铝转子导条与铁心接触电阻
铸铝转子铝导条与铁心间的电阻称为接触电阻，其值大小直接影响横向电流的大小。增加铸铝转子导条和铁心间的接触电阻，可以降低转子铁心损耗和负载杂散损耗，可使电机效率提高、温升降低。
离心铸铝，导条与铁心的接触电阻约为0.15～7.0Ωmm2。
压力铸铝，导条与铁心的接触电阻约为0.01～0.09Ωmm2。
4.1 增加接触电阻的常用方法
4.1.1 转子铁心磷化处理
用化学或电化学方法在铁心槽壁上产生磷酸盐薄膜，该膜耐高温，有较高的绝缘性能，双面0.008～0.012mm，导热性能差。
磷化液配方：马呋盐30～40g/升，氟化钠2～4g/升，硝酸锌55～65g/升。
磷化工艺：磷化液温度75～80℃，铁心去油，浸入磷化液中10～15分钟，取出，经皂化（3%的肥皂水冲洗）后，温水清洗，烘干。
4.1.2 转子冲片氧化处理
4.1.3 铸铝转子脱壳处理
利用铝和钢热涨系数不同的特点，将铸铝转子加热450～500℃，保温2～3小时（使铸铝转子热透）。然后，在空气中冷却或放在水中冷却（必须在100～150℃时取出，利用余热自行干燥），使导条与铁心槽壁间形成缝隙，增加接触电阻。
5.铸铝转子采用离心浇注工艺
由于压铸铸铝转子内部不可避免地存在气孔，一般适用于H355以下电机产品，H180以下的压铸铸铝转子内在质量不比离心铸铝转子内在质量差，但对于H355以上的铸铝转子，压铸就远不如离心的内在质量好，所以要想提高电机效率，尽量采用离心工艺。由于离心工艺，转子铁心要加热，铸铝后，冷却过程中起到了一定的脱壳处理。
6.开口槽铸铝转子
开口槽的铸铝转子，应将槽口中的铝清除掉，加工深度为槽口的高度，这样可减少齿部的杂散损耗10%左右。德国纽伦堡电机厂，高压电机、低压大功率电机都采用这种工艺。
