半工藝電工鋼在電機中的應用優勢

半工藝電工鋼在電機中的應用優勢

張晃清，熊海芳

[騰普](常州)精機有限公司,江蘇 常州213022〗

摘要：介紹了半工藝鋼相比全工藝鋼的性能優勢、成本優勢和市場優勢。分別測試了半工藝與全工藝電工鋼的材料性能、鐵心單位鐵損、沖片涂層電阻,以及對應的電機綜合性能，以驗證半工藝電工鋼在電機應用中的優勢。

關鍵詞：半工藝; 電工鋼; 電機

通訊作者:熊海芳

中圖分類號：TM 305文獻標志碼： 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

硅鋼片是電機最常用的導磁材料，隨著高效電機的普及，對硅鋼片的性能就提出了更高的要求。采用半工藝無取向電工鋼并進行退火處理是降低電機成本、提高電機效率的有效途徑。當前半工藝無取向電工鋼在歐美電機市場上已經得到了用戶的廣泛認可，但在中國市場，半工藝電工鋼占無取向電工鋼總量的比重還非常低。本文分析了半工藝鋼相比全工藝的經濟成本及市場優勢，并比較了半工藝鋼相比其同牌號的全工藝鋼的性能優勢，以便更好地推廣半工藝電工鋼。

1半工藝鋼市場優勢分析

1.1半工藝電工鋼介紹

冷軋電工鋼按晶粒排列方向性可以分為無取向冷軋電工鋼和取向冷軋電工鋼，無取向冷軋電工鋼又分為無取向全工藝電工鋼和無取向半工藝電工鋼。

半工藝無取向電工鋼是區別于傳統的全工藝無取向電工鋼的一種產品。鋼廠將冷軋帶鋼進行不完全退火后出廠(可不帶涂層)，或不完全退火后經3%～10%的臨界變形冷軋或經0.5%～2%變形量進行平整，以改善板型，提高硬度和沖片性。用戶用半工藝電工鋼后，需要進行消除應力退火，退火后硅鋼的晶格得到充分長大，從而達到滿足磁性能要求的電工鋼產品，用戶退火一般包括去油、去應力退火、蒸汽發藍、冷卻等幾道工序。該工藝多用于生產低碳、低硅(≤1.5% Si)的電工鋼，是適用于中、低頻等高效、節能要求而發展起來的成熟技術產品。

圖1　全工藝和半工藝無取向電工鋼典型工藝流程圖

與冷軋無取向電工鋼全工藝生產流程不同，半工藝生產流程有其特殊的生產工藝特點。全工藝和半工藝無取向電工鋼的典型工藝流程如圖1所示。用騰普公司Tempcor作為鐵心材料的電機制造流程如圖2所示。

圖2　用Tempcor作為鐵心材料的電機制造流程圖

Tempcor的特點如下:

(1) 磁感B50和鐵損P15都比較好，經過消除應力退火后，晶粒得到充分長大，鐵損P15降低20%以上，峰值磁導率μ15增加35%以上，而磁感B50值變化不大，整體性能可提高2～3個牌號；

(2) 不帶涂層的產品半工藝鋼在蒸汽發藍后形成一層致密的Fe3O4的氧化物保護層，在鐵心疊片之間起到層間絕緣作用，從而有效降低了鐵心的渦流損耗，此外該表面氧化層還能起到防銹作用；

(3) 沖片毛刺軟化，沖片更平，疊壓系數較高，電機的雜散損耗會更低；

(4) 材料價格便宜，節約成本，利潤空間大，增強了市場競爭力。

1.2半工藝鋼的市場優勢

從經濟成本方面分析: 全工藝鋼在鋼廠退火時間長，又包含涂層工藝，而半工藝鋼是用戶沖壓后再進行充分退火，因此半工藝鋼相比全工藝鋼其原材料成本更有競爭優勢。

從市場占有率方面分析: 國外無取向電工鋼約70%以上都是半成品狀態出廠，如美國AISI標準中M27～M47牌號、前蘇聯的2011～2113牌號和日本的S20～S60牌號半成品，可替代絕大多數硅含量≤2%的全工藝電工鋼。目前國外生產半工藝電工鋼的主要鋼廠有: AM集團、日本住友金屬、日本川崎、韓國浦項，其中美國年產175萬t/年的無取向電工鋼的鋼廠，半工藝電工鋼產量約為150萬t/年，占85.7%，在歐美、前蘇聯、日本已經廣泛采用半工藝電工鋼板，特別是壓縮機電機沖片都采用半工藝電工鋼板制造；但在中國市場，2011年國內半工藝冷軋無取向硅鋼產量約為4.5萬t，而國內無取向電工鋼產量為560萬t，僅占無取向電工鋼總量的0.8%，所占比重還非常低，因此半工藝電工鋼的在中國的市場潛力還是巨大的。

2半工藝鋼性能優勢分析

2.1材料性能測試對比

根據美國AISI標準，M27～M47的半成品電工鋼和完全退火的電工鋼的磁性能對比如表1所示，說明電工鋼半成品產品在用戶退火后其單位鐵損和磁導率這兩個關鍵電磁性能指標都更優。

表1　美國AISI標準中同牌號的完全退火和

比較兩種電工鋼材料的性能差異，通常比較它們在某一頻率下的磁感應強度-鐵損曲線(B-P曲線)、磁感應強度-峰值磁導率曲線(B-PP曲線)和磁感應強度-磁場強度曲線(B-H曲線)這三者之間的差異。

同牌號的騰普半工藝鋼MS050 600和寶鋼全工藝鋼B50A600，兩者在50Hz下的B-P、B-PP及B-H曲線的對比分別如圖3～圖5所示，兩者的主要電磁參數對比如表2所示。

圖3　MS050 600與B50A600在50Hz時的B-P曲線

圖4　MS050 600與B50A600在50Hz時的B-PP曲線

圖5　MS050 600與B50A600在50Hz時的B-H曲線

由圖3～圖5和表2可看出，MS050 600其在50Hz下的鐵損和峰值磁導率都明顯優于B50A600。因此，對于勵磁電流頻率為工頻頻率50Hz的電機，用MS050 600替換B50A600作為鐵心材料后用更低的勵磁電流就可以獲得相同的功率，并且還可獲得更高的電機效率。

2.2鐵心鐵損測試對比

以某客戶冰箱壓縮機單相異步電機的定子鐵

表2　MS050 600與B50A600的在50Hz

心(圖6)作為鐵損測試對象，用同牌號的全工藝鋼和半工藝鋼制成鐵心樣品，并用專用鐵心鐵損測試儀測試鐵心鐵損，其在頻率為50Hz時的測試結果如表3所示。

圖6　單相感應電機樣機定子鐵心鐵損測試

由表3的鐵心鐵損測試結果可知，該單相感應電機定子鐵心用騰普半工藝鋼MS050 600替換寶鋼全工藝鋼B50A600后其鐵心鐵損平均下降15.92%，這將會對電機的機械效率有1%～2%的提升。

表3　牌號相同的全工藝、半工藝電工鋼定子鐵心在50Hz時的鐵損對比

2.3層間電阻測試對比

全工藝電工鋼的表面涂層是一種能提高電磁性能、減少渦流損耗、且有一定張力薄而均勻的絕緣涂層；半工藝電工鋼表面雖然不具有涂層，但是在蒸汽發藍后其表面會形成一層致密的Fe3O4氧化物保護層，該保護層在鐵心疊片之間也起到了層間絕緣的作用，從而有效地降低了鐵心的渦流損耗，此外還起到了防銹作用。

根據GB/T 2522—2007《電工鋼(帶)表面絕緣電阻、涂層附著性測試方法》標準，用Franklin測試儀(見圖7)測試電工鋼的層間電阻，騰普半工藝鋼MS050 600與寶鋼全工藝鋼B50A600(A涂層)的層間電阻比較，如表4所示。

圖7　電工鋼Franklin測試

電工鋼牌號絕緣層種類樣條編號測試次數涂層電阻/(Ω·cm2)樣條涂層電阻均值/(Ω·cm2)電工鋼涂層電阻均值/(Ω·cm2)MS050600氧化物保護層1號樣條第一次0.371第二次0.3820.37652號樣條第一次0.386第二次0.360.37300.3748B50A600半有機A涂層1號樣條第一次0.193第二次0.1750.18402號樣條第一次0.211第二次0.1870.1190第三次0.1692號樣條第一次0.1641.78第二次0.1920.1915

由表4可知，Tempcor MS050 600與寶鋼B50A600的層間電阻均值分別為0.3748Ω·cm2和0.1915Ω·m2，前者為后者的1.96倍。由此可以看出，Tempcor相比其同牌號的寶鋼A涂層全工藝電工鋼，其疊片之間的絕緣性能更好，因此用Tempcor制成鐵心后電機的渦流損耗會更小些、效率會更高些。

2.4電機性能測試對比

分別用MS050 600和B50A600兩種電工鋼作為某客戶冰箱壓縮機單相感應電機的鐵心材料制作兩臺其余參數相同的樣機做試驗驗證。兩種材料制作的電機的性能測試曲線比較分別如圖8和圖9所示。該電機在額定轉速2950r/min下的性能參數對比如表5所示。

由圖8、圖9可知，單相異步電機用MS050600電工鋼作為鐵心材料相比B50A600，其繞組電流有小幅下降，電機效率還有小幅提高，這與兩者的材料特性曲線較為吻合。另外，

根據表5的性能對比結果，相比B50A600方案，電機在2950r/min轉速點下的繞組線電流減少0.93%，輸出功率提升9.09%，電機效率提高0.9%，說明單相異步電機用半工藝鋼作為鐵心材料，其電機溫升、功率、效率等綜合性能會得到優化。

圖8　以MS050 600與B50A600為材料的效率曲線

圖9　以MS050 600與B50A600為材料的轉矩特性曲線

主要參數B50A600方案MS050600方案前后增長百分比/%鐵心材料B50A600MS050600—轉速/(r·min-1)29502950—扭矩/(N·m)0.330.369.09輸出功率/W101.937111.2049.09電流/A0.6420.636-0.93效率/%78.2079.100.90

3結語

半工藝鋼在歐美、日本市場已經得到廣泛應用，而國內大部分電機廠以及沖片制造商還沒有退火發藍設備，從而限制了半工藝電工鋼在國內電機市場的應用。因此，半工藝鋼在國內電機市場中的應用優勢將會較為明顯。

【參 考 文 獻】

[1]何治忠.電工鋼[M].北京: 冶金工業出版社,1996.

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