船舶電氣設備鐵損及其抑制的研究

劉貞賢

摘 要：由于船電交流制優于直流制，因此交流電器在船舶上得到了廣泛應用。基于節能和提高船舶電器設備運行的可靠性，以電磁場理論作為依據，對鐵損進行研究，找出了鐵損中磁滯損失和渦流損失原因所在，提出了抑制鐵損的各種方法和措施。同時對船舶電器如何防范因鐵損引起的損壞及保障其正常運行提出了意見，并對電感性電器的正確保養和維修也作了一定的敘述。

關鍵詞：船舶;電氣設備;鐵損;抑制

引言

帶有線圈的鐵心在線圈通有交變的正弦交流電流時被反復磁化，由磁滯現象產生了磁滯損失。另一方面，在鐵心內部由于磁感應的作用，出現了渦流，渦流在鐵心內部流動就有功率的損耗，這種損耗稱之為渦流損失。因此，鐵損就是磁滯損失與渦流損失的總和。所以，從理論上研究鐵損，在工程上如何抑制鐵損，不僅對船舶電站具有節能的價值，而且對船舶電氣設備的正常運行，以及正確維護、保養和修理具有實際意義。

1.磁滯損失

為了方面進行研究，我們畫出了磁滯回線，如下圖1.圖中帶有箭頭的回線代表的是鐵心受到交流電流的作用之后，在反復磁化一周之中磁感應B和磁場強度變動的實際情況。

若我們用A來代表磁場建成之后磁場中的能量密度，這個時候磁感應就該由零逐漸遞增到B，那么就有：（下面公式所示）

只要我們把（1）中的積分上、下限換為適當的上、下限，這個就可以來研究鐵心受到反復磁化一周之后，它的單位體積內部的電量就會出現相應的變動。從上圖1來看，當圖示中的h點順著磁滯回線回到C點的位置時，H就會出現大于0的情況，dB也會出現大于0的情況。因此，我們可以得到：（2）。這個就是鐵心磁化的時候由外電源供應的能量，在（2）中MH、MB是圖1示中的B和H的標度。

相同的道理，我們可以得到在順著磁滯回線的cd部分之時，就會出現H大于0，而dB會小于0，這個是鐵心退磁時候返回給外部電源的能量。當沿著磁滯回線df部分時，H會小于0，dB也會小于0，這個時候的鐵心在反方向磁化時，外部電源供給的能量。在順著磁滯回線的fg部分之時，H小于0而dB會大于0，這是把能量返回給外部電源。在順著磁滯回線的gh部分之時，H會大于0，dB也會大于0，這是能量由外部的電源供給的情況。

從這里我們可以知曉，在鐵心受到反復磁化一周的時候，會出現能量的損失。如果我們用Ah來表示鐵心在每次反復磁化一周之中單位體積內損耗的能量，就有（3）。在這個公式之中，S表示的是磁滯回歸線的面積。因為有這種損失的存在，鐵心在受到反復磁化的時候要散發熱量，就會出現磁滯損失。

2.渦流損失

令磁感應B是均勻的，而且它隨著時間會作正弦變化。實際上正弦交流的電源產生的磁感應B是按照這個規律變化的。因此，磁感應B的瞬時值就可以用公式（4）表示：

公式之中的Bm就是磁感應的幅值，f是磁感應變化的頻率。虛線表示的回路內應力電動勢（5），以及電阻的定義，這個回路的電阻是：（6），其中這里面的p是導體片的電阻率。這個耗損在這一回路內的瞬時功率就是：（7），我們從上面就可以求出耗損在整個的導片內部的瞬時功率就是：（8），在公式之中就是導片的體積。

在實際的意義上，對于正弦交流電無論是在計算還是對功率的測定上，通常都是一個周期內的平均功率，并用P表示。我們可以從導片內由于出現渦流引起的功率損失可以表示為：（9）。

3.抑制的措施

3.1材料與處理

由式（3）可知，要降低磁滯損失，繞組中鐵心的材料應選用磁滯回線所包絡面積較小的材料，即軟磁材料，如鑄鐵、鑄鋼、純鐵、硅鋼、坡莫合金和鐵氧體等材料。

由式（10）可以看出，渦流損失與導片的厚度h的平方成正比，所以將鐵心材料切成薄片，在其表面涂有絕緣漆，然后疊成鐵心。并且還可看出，渦流損失與鐵心的電阻率ρ成反比，因此，交流鐵心可滲入小量的硅（百分之幾）來提高其電阻率。此外還與磁感應的幅值Bm的平方成正比，而對此項的控制可選用Bm值較低的軟磁材料。

3.2制造與使用

在感性電器的制造工藝上，硅銅片的疊置方向應平行于磁力線，這樣對每一片來說切割磁力線相對較少，在各片中產生的渦流也就大大降低。在使用時，因為渦流與電源的頻率f成正比，所以要防止設備在過頻下運行，否則，不僅渦流損失增大造成能源浪費，而且因渦流增大使鐵心溫度上升，導致電氣設備的絕緣燒壞。

3.3維修與保養

以交流電動機為例加以分析。交流電動機由于某種原因，造成過載、堵轉或短路，引起電流過大而燒壞繞組，對此類電機在維修時通常作如下處理，首先將被燒繞組拆下重新繞制更換，然后整體涂絕緣漆后烘干，待絕緣達2MΩ以上后就維修完畢。但這種維修存在的問題是，當繞組燒壞時溫度已達到了數百度，其鐵心硅鋼片之間原有的絕緣漆也同樣受高溫已被燒損，片間絕緣大幅度下降。如果按上述通常維修方法，實際上已經失去了電機制造工藝上將鐵心硅鋼片表面涂有絕緣漆，以提高鐵心電阻降低渦流損失的意義。所以交流電動機被燒壞后，不僅需要更換繞組，而且對其鐵心的硅鋼片之間，最好也要作徹底的絕緣處理。否則，不僅電機效率降低，而且在同樣的負載轉矩下因溫度過高會經常被燒，所以該電機已達不到原有的額定功率。另外，變壓器、接觸器、繼電器及電磁閥等都是帶鐵心繞組的交流電器，其鐵心也都是由片間絕緣的硅鋼片疊成的，所以在維修時同樣需要注意上述問題。在日常保養及拆裝過程中還須防止鐵心絕緣的損壞。

結語：

通過對鐵損的研究與分析，找出了磁滯損失和渦流損失的理論依據，并根據依據，對交流感性電器在制造工藝、材料選用和維修保養中，如何抑制磁滯損失和渦流損失提出了方法和措施，并對設備防止過頻運行也提出了意見。這對交流電器的節能和保障船舶電氣設備的正常運行有一定的實際意義。但尚須指出的是，交流電器硅鋼片鐵心在修理時，其片間作徹底的絕緣處理難度較大，對這一維修工藝仍需繼續探討。

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