變頻壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)沖片退火對鐵損性能變化的實(shí)驗(yàn)研究

錢建忠 李家頌 倪海林 王 釗

（加西貝拉壓縮機(jī)有限公司，浙江 嘉興 314006）

壓縮機(jī)作為一個(gè)高精度高要求的機(jī)電產(chǎn)品，其中電動(dòng)機(jī)部份又被稱為其“心臟”，是電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的重要部件。電動(dòng)機(jī)性能直接影響了壓縮機(jī)的整機(jī)性能，如何有效提升電動(dòng)機(jī)性能和降低制造及工藝成本是一項(xiàng)重點(diǎn)和難點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)鐵心一般用一定厚度的無取向硅鋼片沖切成要求的沖片并層疊成形，在沖剪成定轉(zhuǎn)子沖片的制程中，鋼帶受到剪切力等作用使沖片局部產(chǎn)生塑性變形，硅鋼片受到機(jī)械應(yīng)力和應(yīng)變的影響，從而使得電動(dòng)機(jī)沖片沿分離線1mm左右的邊緣磁疇會(huì)引起破壞、晶格會(huì)發(fā)生畸變、晶粒會(huì)產(chǎn)生彎曲等情況[1]。定轉(zhuǎn)子硅鋼沖片的導(dǎo)磁性能會(huì)惡化、鐵心鐵損會(huì)升高、磁感會(huì)降低，另外沖片的槽口受沖剪邊緣效應(yīng)的影響，磁阻會(huì)增大，等效于氣隙長度加大，致使勵(lì)磁電流升高，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)下降；同時(shí)齒部的磁密增加，電動(dòng)機(jī)的鐵損也會(huì)增加，最終會(huì)使電動(dòng)機(jī)的效率和性能下降[2]。一般電動(dòng)機(jī)廠家采用對定轉(zhuǎn)子沖片進(jìn)行退火蘭化的熱處理方式，以達(dá)到消除內(nèi)應(yīng)力，恢復(fù)改善材料原有的磁性能，蘭化膜起到表面防銹功能。而要進(jìn)行退火處理需要將已沖切成型的定轉(zhuǎn)子沖片放到熱處理爐里進(jìn)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(fèi)較大的能源和時(shí)間。而隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和綠色低碳環(huán)保要求的不斷提升，變頻壓縮機(jī)的應(yīng)用也日益廣泛，永磁交流同步或永磁無刷直流等電動(dòng)機(jī)技術(shù)也已較為成熟應(yīng)用于變頻壓縮機(jī)中。對于一般只在 50Hz工頻運(yùn)行的固定頻率工作的壓縮機(jī)，其電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)又相對要少[3]，而變頻壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)就要多些，其運(yùn)行頻率一般有超過100Hz的變化范圍，而變頻壓縮機(jī)在實(shí)際工作中會(huì)有較多時(shí)間在高頻率高轉(zhuǎn)速下工作。針對這個(gè)實(shí)際情況，需要進(jìn)一步分析電動(dòng)機(jī)在各頻率點(diǎn)的磁感鐵損值，通過對比退火硅鋼片與未經(jīng)退火處理的電動(dòng)機(jī)鐵心的鐵損磁感等的差異分析，結(jié)合電動(dòng)機(jī)效率及變頻壓縮機(jī)整機(jī)性能等多方面來評價(jià)其綜合性能與工藝成本的關(guān)系。

1 影響鐵損因素的理論研究

1.1 鐵損同頻率間的關(guān)系

所謂電動(dòng)機(jī)鐵損是指將硅鋼片處于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(nèi)的功率損耗進(jìn)行度量。根據(jù)Bertotti等人提出的當(dāng)鐵磁性材料在交變磁場的作用下，磁性材料所產(chǎn)生損耗發(fā)熱的不同鐵心損耗分離理論，進(jìn)而進(jìn)行分離疊加后，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]。

1）磁滯損耗。當(dāng)磁性材料存于交變的磁場經(jīng)反復(fù)磁化作用，引起磁性由于磁疇的反復(fù)翻轉(zhuǎn)，材料內(nèi)部摩擦發(fā)熱所消耗的能量即為磁滯損耗。

2）渦流損耗。交變的磁通在金屬中會(huì)感應(yīng)電動(dòng)勢，由于該電動(dòng)勢產(chǎn)生的電流稱為渦流，由渦流引起的損耗稱為渦流損耗。

3）附加損耗。磁性材料工作中所消耗的其他能量稱為附加損耗。

電動(dòng)機(jī)鐵損組成為

式中，F(xiàn)eP 為單位重量內(nèi)的鐵心總損耗（W/kg）；hP為單位重量內(nèi)的磁滯損耗（W/kg）；eP為單位重量內(nèi)的渦流損耗（W/kg）；exP 為單位重量內(nèi)的附加損耗（W/kg）。

針對式（1）通過展開進(jìn)一步細(xì)化，可以變換為

式中， Kh為磁滯損耗系數(shù)，f為頻率（Hz），B為正弦波磁密幅值（T），α為可變系數(shù)， Ke為渦流損耗系數(shù)， Kex為附加損耗系數(shù)。

在式（2）中第一項(xiàng)是磁滯損耗值，其磁滯損耗Ph同頻率的一次方和磁密幅值B的α次方成正比；第二項(xiàng)是渦流損耗值，其渦流損耗 Pe同頻率的二次方和磁密幅值B的二次方成正比；而第三項(xiàng)是附加損耗值 Pex，其附加損耗 Pex同頻率f的 1.5次方和磁密幅值B的1.5次方成正比[5]。

這3個(gè) Kh、 Ke、 Kex都是與磁性材料的性能有關(guān)的可變系數(shù)。因?yàn)橄鄬@3個(gè)可變系數(shù)中的第三個(gè) Kex值要小得多，在很多情況下可以忽略不計(jì)，所以電動(dòng)機(jī)的鐵損又可簡化為

一般電動(dòng)機(jī)中所采用的無取向硅鋼片，定轉(zhuǎn)子沖片厚度均較為薄，在工作頻率不是很高情況下，如50Hz工頻或幾百Hz以下，通常取可變系數(shù)取值范圍在1.6～2.2間，一般根據(jù)理論和實(shí)踐取可變系數(shù)2α=是有一定準(zhǔn)確性的，因此電動(dòng)機(jī)鐵損又可簡化為

對于式（4）中的不同材料的磁滯損耗系數(shù)hK ，當(dāng)磁導(dǎo)率μ不變或者變化不是很大時(shí)，可用式（5）表示，即

也就是說，磁滯損耗系數(shù) Kh同磁導(dǎo)率μ間近似成反比關(guān)系。其中ρFe表示硅鋼片的密度。

而對于式（4）中的不同材料的渦流損耗系數(shù)Ke，可用式（6）表示，即

也就是說，渦流損耗系數(shù)eK同電阻率ρ間成反比關(guān)系，用Feρ表示硅鋼片的密度，ρ表示硅鋼片的電阻率[6]。

通過上述的公式推導(dǎo)，結(jié)合電動(dòng)機(jī)的鐵損理論分析，由式（4）可以知道磁滯損耗hP與頻率 f的一次方成正比，渦流損耗eP與頻率 f間是二次方的關(guān)系。當(dāng)頻率 f增大時(shí)，總的電動(dòng)機(jī)鐵損FeP 和磁滯損耗hP、渦流損耗eP都會(huì)隨著增大，而渦流損耗eP會(huì)隨頻率f成倍增加。頻率的影響相比渦流損耗的增加值要大于磁滯損耗的增加值，也就是說，磁滯損耗增加速度會(huì)小于渦流損耗的增速。從磁滯損耗和渦流損耗的相對比例來看，對于低頻率段，渦流損耗遠(yuǎn)小于磁滯損耗，但到了高頻率段后，因頻率成二次方關(guān)系的影響，磁滯損耗反過來會(huì)遠(yuǎn)小于渦流損耗。

1.2 磁導(dǎo)率同頻率間的關(guān)系

除了上述電動(dòng)機(jī)鐵損與頻率間成正比關(guān)系外，還不應(yīng)忽視頻率對磁導(dǎo)率所產(chǎn)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(yīng)強(qiáng)度同磁化頻率間成反比關(guān)系，即隨著磁化電流頻率的降低，磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)升高，而磁化電流頻率升高，磁感應(yīng)強(qiáng)度就會(huì)下降。當(dāng)采用磁感應(yīng)強(qiáng)度相對比較高的磁性材料時(shí)，在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)可以忽略工作頻率對電動(dòng)機(jī)性能的影響。一般來說，頻率對磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響也只發(fā)生于磁化電流出現(xiàn)拐點(diǎn)的以下部位[7]。

對于沖切成型的定轉(zhuǎn)子硅鋼沖片進(jìn)行退火處理的目的主要是促進(jìn)電動(dòng)機(jī)硅鋼沖片中在高溫下晶粒重新組合生長，恢復(fù)晶體顆粒的有序排列，達(dá)到消除因沖剪過程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，晶粒組合長大后達(dá)到降低磁滯損耗的作用，但同時(shí)晶粒長大也會(huì)使渦流損耗增加[8]。對于固定工頻的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，在頻率稍低情況下電動(dòng)機(jī)的鐵心鐵損中磁滯損耗占主導(dǎo)地位[9]。因此，從對電動(dòng)機(jī)鐵心的鐵損、磁感同頻率間關(guān)系的研究，在鐵心不同熱處理方式后進(jìn)行不同頻率段的對比測試，值得進(jìn)行相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)。針對此研究，進(jìn)行了退火蘭化與不退火只蘭化處理變頻機(jī)的電動(dòng)機(jī)鐵心、定轉(zhuǎn)子和壓縮機(jī)整機(jī)不同頻率段的鐵損值對比測試。

2 定子鐵心的鐵損測試

對于一般生產(chǎn)定頻壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的廠家來說，通常只使用在工頻下的硅鋼片導(dǎo)磁性能檢測的設(shè)備。為了能達(dá)到電動(dòng)機(jī)定子鐵心在不同頻率下的磁性指標(biāo)，我們采購了根據(jù)愛潑斯坦方圈測試原理適用于變頻的專用硅鋼片及鐵心電磁性能測試的設(shè)備[10]（如圖1所示）。選用某一型號(hào)的變頻壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)，使用高速?zèng)_床將硅鋼片沖壓疊片成定轉(zhuǎn)子鐵心，各取十套分別跟蹤進(jìn)行熱處理，其中十套只進(jìn)行表面蘭化未經(jīng)過退火處理工序，使用此臺(tái)專用測試設(shè)備測得在 45Hz/80Hz/100Hz/150Hz/250Hz/400Hz的頻率下，磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱磁通密度分別從0.2T一直到2T時(shí)對應(yīng)的鐵心鐵損曲線，如圖2所示。從圖2中可以看到，在45Hz（因使用的變頻穩(wěn)壓電源限制只能測到最低為 45Hz，選用更好的電源可測更低頻率）的頻率段，不退火處理的定子鐵心鐵損比退火處理的定子鐵損值要高；而在高頻率段且磁通密度達(dá)到 1.5T時(shí)，不退火處理的定子鐵心鐵損值同退火處理的定子鐵心鐵損比較接近，但在磁通密度超過 1.6T后，不退火處理沖片鐵心鐵損值就要比退火處理鐵心的鐵損低，這樣電動(dòng)機(jī)性能會(huì)相對要優(yōu)些。

圖1 電動(dòng)機(jī)鐵心磁性測試專用裝置

圖2 不同頻率磁感下定子鐵心鐵損對比

3 變頻電動(dòng)機(jī)的效率測試

將上述試驗(yàn)中的經(jīng)退火處理及不退火只進(jìn)行蘭化處理的定子鐵心，按正常生產(chǎn)工藝分別制造成某型號(hào)變頻壓縮機(jī)的定子，搭配同一個(gè)轉(zhuǎn)子，使用電動(dòng)機(jī)測功機(jī)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)效率的對比測試，其測試值平均結(jié)果如圖 3所示。由圖 3可知，在約 60Hz（1800r/min左右）之前，退火處理定子電動(dòng)機(jī)效率比不退火只蘭化處理的定子效率稍高些，但在中高速的 80Hz后鐵心只蘭化不退火的電動(dòng)機(jī)效率則要好些。

圖3 某型號(hào)電動(dòng)機(jī)在各轉(zhuǎn)速下其效率平均值對比

4 變頻壓縮機(jī)的整機(jī)性能測試

選取經(jīng)退火蘭化處理的定轉(zhuǎn)子及只經(jīng)過表面蘭化不退火處理的電動(dòng)機(jī)分別裝配成某型號(hào)的變頻壓縮機(jī)，在量熱計(jì)上按照《GB/T 9098—2008 電冰箱用全封閉型電動(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測試壓縮機(jī)性能，進(jìn)行 53.3Hz/80Hz/100Hz/150Hz多個(gè)頻率段的整機(jī)性能對比測試，對比實(shí)驗(yàn)平均值結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在低轉(zhuǎn)速下退火處理的定子電動(dòng)機(jī)效率比不退火處理的電動(dòng)機(jī)性能稍好，而在80Hz、100Hz和150Hz時(shí)則只進(jìn)行表面蘭化不退火處理鐵心的變頻壓縮機(jī)整機(jī)性能要優(yōu)些。這樣匹配到冰箱制冷系統(tǒng)其能耗同樣會(huì)得到提升。

圖4 某型號(hào)變頻壓縮機(jī)在各頻率段的性能平均值對比

5 結(jié)論

本文只針對某型號(hào)的變頻壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了退火處理與不退火處理的對比實(shí)驗(yàn)測試，如選用極對數(shù)更多及硅鋼片厚度更薄的沖片，根據(jù)理論研究對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會(huì)更加明顯。變頻壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行是通過變頻板來控制的，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速由低到高變化范圍較大，且其極對數(shù)比定頻壓縮機(jī)要多，因?yàn)椴煌嘶鹬贿M(jìn)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(shí)渦流損耗相對要低，使得總的電動(dòng)機(jī)鐵心鐵損下降明顯，這樣會(huì)對電動(dòng)機(jī)的效率、壓縮機(jī)的性能以及冰箱等制冷設(shè)備的能效產(chǎn)生較好的提升，達(dá)到高效節(jié)能的效果。因此如對于在冰箱上經(jīng)常處于高轉(zhuǎn)速運(yùn)行的變頻壓縮機(jī)來說，電動(dòng)機(jī)鐵心可采用不退火只進(jìn)行蘭化處理即可提高電動(dòng)機(jī)性能降低功耗，而且可以降低生產(chǎn)制造成本和縮短熱處理時(shí)間，減少工序有效提升效能。這對于考慮綜合性能及成本因素的電動(dòng)機(jī)制造廠家來說，在電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和工藝布局上，提供了有效的實(shí)驗(yàn)支撐。

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