半工艺电工钢在电机中的应用优势

半工艺电工钢在电机中的应用优势

张晃清，熊海芳

[腾普](常州)精机有限公司,江苏 常州213022〗

摘要：介绍了半工艺钢相比全工艺钢的性能优势、成本优势和市场优势。分别测试了半工艺与全工艺电工钢的材料性能、铁心单位铁损、冲片涂层电阻,以及对应的电机综合性能，以验证半工艺电工钢在电机应用中的优势。

关键词：半工艺; 电工钢; 电机

通讯作者:熊海芳

中图分类号：TM 305文献标志码： B

收稿日期:2015-03-30

Advantage of Semi-Processed Electrical Steels on Motor Applications

ZHANGHuangqing,XIONGHaifang

(Tempel (Changzhou) Precision Metal Products Co., Ltd., Changzhou 213022, China)

Abstract：The performance-, cost- and market-advantage of the semi-processed steels compared with the full-processed steels were introduced. The material performance, iron core loss, interlamination resistance and the over-all motor performance of semi-processed and full-processed steels were respectively tested, in order to verify the application advantage of the semi-processed steels.

Key words： semi-processed; electrical steel; motor

0引言

硅钢片是电机最常用的导磁材料，随着高效电机的普及，对硅钢片的性能就提出了更高的要求。采用半工艺无取向电工钢并进行退火处理是降低电机成本、提高电机效率的有效途径。当前半工艺无取向电工钢在欧美电机市场上已经得到了用户的广泛认可，但在中国市场，半工艺电工钢占无取向电工钢总量的比重还非常低。本文分析了半工艺钢相比全工艺的经济成本及市场优势，并比较了半工艺钢相比其同牌号的全工艺钢的性能优势，以便更好地推广半工艺电工钢。

1半工艺钢市场优势分析

1.1半工艺电工钢介绍

冷轧电工钢按晶粒排列方向性可以分为无取向冷轧电工钢和取向冷轧电工钢，无取向冷轧电工钢又分为无取向全工艺电工钢和无取向半工艺电工钢。

半工艺无取向电工钢是区别于传统的全工艺无取向电工钢的一种产品。钢厂将冷轧带钢进行不完全退火后出厂(可不带涂层)，或不完全退火后经3%～10%的临界变形冷轧或经0.5%～2%变形量进行平整，以改善板型，提高硬度和冲片性。用户用半工艺电工钢后，需要进行消除应力退火，退火后硅钢的晶格得到充分长大，从而达到满足磁性能要求的电工钢产品，用户退火一般包括去油、去应力退火、蒸汽发蓝、冷却等几道工序。该工艺多用于生产低碳、低硅(≤1.5% Si)的电工钢，是适用于中、低频等高效、节能要求而发展起来的成熟技术产品。

图1　全工艺和半工艺无取向电工钢典型工艺流程图

与冷轧无取向电工钢全工艺生产流程不同，半工艺生产流程有其特殊的生产工艺特点。全工艺和半工艺无取向电工钢的典型工艺流程如图1所示。用腾普公司Tempcor作为铁心材料的电机制造流程如图2所示。

图2　用Tempcor作为铁心材料的电机制造流程图

Tempcor的特点如下:

(1) 磁感B50和铁损P15都比较好，经过消除应力退火后，晶粒得到充分长大，铁损P15降低20%以上，峰值磁导率μ15增加35%以上，而磁感B50值变化不大，整体性能可提高2～3个牌号；

(2) 不带涂层的产品半工艺钢在蒸汽发蓝后形成一层致密的Fe3O4的氧化物保护层，在铁心叠片之间起到层间绝缘作用，从而有效降低了铁心的涡流损耗，此外该表面氧化层还能起到防锈作用；

(3) 冲片毛刺软化，冲片更平，叠压系数较高，电机的杂散损耗会更低；

(4) 材料价格便宜，节约成本，利润空间大，增强了市场竞争力。

1.2半工艺钢的市场优势

从经济成本方面分析: 全工艺钢在钢厂退火时间长，又包含涂层工艺，而半工艺钢是用户冲压后再进行充分退火，因此半工艺钢相比全工艺钢其原材料成本更有竞争优势。

从市场占有率方面分析: 国外无取向电工钢约70%以上都是半成品状态出厂，如美国AISI标准中M27～M47牌号、前苏联的2011～2113牌号和日本的S20～S60牌号半成品，可替代绝大多数硅含量≤2%的全工艺电工钢。目前国外生产半工艺电工钢的主要钢厂有: AM集团、日本住友金属、日本川崎、韩国浦项，其中美国年产175万t/年的无取向电工钢的钢厂，半工艺电工钢产量约为150万t/年，占85.7%，在欧美、前苏联、日本已经广泛采用半工艺电工钢板，特别是压缩机电机冲片都采用半工艺电工钢板制造；但在中国市场，2011年国内半工艺冷轧无取向硅钢产量约为4.5万t，而国内无取向电工钢产量为560万t，仅占无取向电工钢总量的0.8%，所占比重还非常低，因此半工艺电工钢的在中国的市场潜力还是巨大的。

2半工艺钢性能优势分析

2.1材料性能测试对比

根据美国AISI标准，M27～M47的半成品电工钢和完全退火的电工钢的磁性能对比如表1所示，说明电工钢半成品产品在用户退火后其单位铁损和磁导率这两个关键电磁性能指标都更优。

表1　美国AISI标准中同牌号的完全退火和

比较两种电工钢材料的性能差异，通常比较它们在某一频率下的磁感应强度-铁损曲线(B-P曲线)、磁感应强度-峰值磁导率曲线(B-PP曲线)和磁感应强度-磁场强度曲线(B-H曲线)这三者之间的差异。

同牌号的腾普半工艺钢MS050 600和宝钢全工艺钢B50A600，两者在50Hz下的B-P、B-PP及B-H曲线的对比分别如图3～图5所示，两者的主要电磁参数对比如表2所示。

图3　MS050 600与B50A600在50Hz时的B-P曲线

图4　MS050 600与B50A600在50Hz时的B-PP曲线

图5　MS050 600与B50A600在50Hz时的B-H曲线

由图3～图5和表2可看出，MS050 600其在50Hz下的铁损和峰值磁导率都明显优于B50A600。因此，对于励磁电流频率为工频频率50Hz的电机，用MS050 600替换B50A600作为铁心材料后用更低的励磁电流就可以获得相同的功率，并且还可获得更高的电机效率。

2.2铁心铁损测试对比

以某客户冰箱压缩机单相异步电机的定子铁

表2　MS050 600与B50A600的在50Hz

心(图6)作为铁损测试对象，用同牌号的全工艺钢和半工艺钢制成铁心样品，并用专用铁心铁损测试仪测试铁心铁损，其在频率为50Hz时的测试结果如表3所示。

图6　单相感应电机样机定子铁心铁损测试

由表3的铁心铁损测试结果可知，该单相感应电机定子铁心用腾普半工艺钢MS050 600替换宝钢全工艺钢B50A600后其铁心铁损平均下降15.92%，这将会对电机的机械效率有1%～2%的提升。

表3　牌号相同的全工艺、半工艺电工钢定子铁心在50Hz时的铁损对比

2.3层间电阻测试对比

全工艺电工钢的表面涂层是一种能提高电磁性能、减少涡流损耗、且有一定张力薄而均匀的绝缘涂层；半工艺电工钢表面虽然不具有涂层，但是在蒸汽发蓝后其表面会形成一层致密的Fe3O4氧化物保护层，该保护层在铁心叠片之间也起到了层间绝缘的作用，从而有效地降低了铁心的涡流损耗，此外还起到了防锈作用。

根据GB/T 2522—2007《电工钢(带)表面绝缘电阻、涂层附着性测试方法》标准，用Franklin测试仪(见图7)测试电工钢的层间电阻，腾普半工艺钢MS050 600与宝钢全工艺钢B50A600(A涂层)的层间电阻比较，如表4所示。

图7　电工钢Franklin测试

电工钢牌号绝缘层种类样条编号测试次数涂层电阻/(Ω·cm2)样条涂层电阻均值/(Ω·cm2)电工钢涂层电阻均值/(Ω·cm2)MS050600氧化物保护层1号样条第一次0.371第二次0.3820.37652号样条第一次0.386第二次0.360.37300.3748B50A600半有机A涂层1号样条第一次0.193第二次0.1750.18402号样条第一次0.211第二次0.1870.1190第三次0.1692号样条第一次0.1641.78第二次0.1920.1915

由表4可知，Tempcor MS050 600与宝钢B50A600的层间电阻均值分别为0.3748Ω·cm2和0.1915Ω·m2，前者为后者的1.96倍。由此可以看出，Tempcor相比其同牌号的宝钢A涂层全工艺电工钢，其叠片之间的绝缘性能更好，因此用Tempcor制成铁心后电机的涡流损耗会更小些、效率会更高些。

2.4电机性能测试对比

分别用MS050 600和B50A600两种电工钢作为某客户冰箱压缩机单相感应电机的铁心材料制作两台其余参数相同的样机做试验验证。两种材料制作的电机的性能测试曲线比较分别如图8和图9所示。该电机在额定转速2950r/min下的性能参数对比如表5所示。

由图8、图9可知，单相异步电机用MS050600电工钢作为铁心材料相比B50A600，其绕组电流有小幅下降，电机效率还有小幅提高，这与两者的材料特性曲线较为吻合。另外，

根据表5的性能对比结果，相比B50A600方案，电机在2950r/min转速点下的绕组线电流减少0.93%，输出功率提升9.09%，电机效率提高0.9%，说明单相异步电机用半工艺钢作为铁心材料，其电机温升、功率、效率等综合性能会得到优化。

图8　以MS050 600与B50A600为材料的效率曲线

图9　以MS050 600与B50A600为材料的转矩特性曲线

主要参数B50A600方案MS050600方案前后增长百分比/%铁心材料B50A600MS050600—转速/(r·min-1)29502950—扭矩/(N·m)0.330.369.09输出功率/W101.937111.2049.09电流/A0.6420.636-0.93效率/%78.2079.100.90

3结语

半工艺钢在欧美、日本市场已经得到广泛应用，而国内大部分电机厂以及冲片制造商还没有退火发蓝设备，从而限制了半工艺电工钢在国内电机市场的应用。因此，半工艺钢在国内电机市场中的应用优势将会较为明显。

【参 考 文 献】

[1]何治忠.电工钢[M].北京: 冶金工业出版社,1996.

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[4]朱翠翠.国内半工艺冷轧无取向电工钢的生产及市场需求展望[C]//第十二届中国电工钢学术年会，2012: 224-228.