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[讨论] 西莫论坛研讨会第三期——硅钢的发展、工艺及特性

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[LV.5]常住居民II

发表于 2011-4-7 20:12 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 forlink 于 2011-5-30 13:13 编辑

除了前途未卜的无铁心电机,无论哪一种电机或者是变压器,都少不了一个核心部分——铁心,而铁心的主要成分,就是硅钢。
从某种程度上来说,电机设计的最大难点,也是由于硅钢造成的——因为硅钢是一种非线性材料,由此造成了电机的设计和计算过程中无数重复。想必学过电机设计的人,在第一次被老师要求进行手算的时候,都少不了要对些进行一番无声或者有声和。同时,由于这一非线性的特性,也造成了许许多多的名词,比如饱和,比如迭代。
作为电机人,不仅仅应该了解电机的设计和工艺,也应当对电机中的核心部分有所了解,特别是主要用于电机的材料——硅钢。

本次研讨会就是向论坛的会员简要介绍一下硅钢的相关知识,讨论和研究硅钢和电机性能之间的关系,为电机设计和性能优化提供一点帮助。

本次研讨会规则:
1、本贴主要讨论硅钢及其相关内容,其他材料方面,不管是永磁体还是绝缘材料,请勿涉及。
2、为了维持讨论秩序,不致引起混乱,发帖时请指明是提问还是回答。
同时,若是回答他人问题,请使用“回复”或者“引用”功能。
此功能在每个楼层的左下角,解答他人问题时,直接点击该问题所在楼层的“回复”或者“引用”,并输入内容即可。
3、尽量将帖子内容描述清楚,凡是提出有效问题,或有效解答他人问题者,均有积分相送。
4、本帖讨论内容仅限硅钢相关情况以及对电机性能的影响,请勿发表题外内容,违者屏蔽或删帖。

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 楼主| 发表于 2011-4-7 20:12 | 显示全部楼层
本帖最后由 张老五 于 2011-4-7 20:20 编辑

谈硅钢,要先从磁性材料的分类谈起。磁性材料按照矫顽力的大小分为软磁、半硬磁和硬磁,电工钢属于软磁材料,其产量占全部软磁材料的83%


磁性材料主要有这些种类。


品种实在太多,就不一一解释了。

在软磁材料中,电工钢的性价比高,因此得到大量的使用。

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 楼主| 发表于 2011-4-7 20:12 | 显示全部楼层
本帖最后由 张老五 于 2011-4-7 20:21 编辑

以下是一些主要磁性材料的性价比对照表。

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 楼主| 发表于 2011-4-7 20:12 | 显示全部楼层
本帖最后由 张老五 于 2011-4-7 20:23 编辑

硅钢的发展

1898年英国哈德菲尔德研究发现了在碳钢中添加一定量的硅能够获得良好的磁性,由此开始了硅钢(Si0.5%称为低碳电工钢)的发展历程。硅钢的发展史就是铁损降低的历史。

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 楼主| 发表于 2011-4-7 20:12 | 显示全部楼层
本帖最后由 张老五 于 2011-4-7 20:25 编辑

硅钢的分类


电工钢按轧制工艺分为冷轧和热轧两大类,按磁性分取向和无取向两大类。热轧硅钢属于无取向硅钢,目前世界上基本上只有我国生产。电工钢中Si0.5%也称为硅钢。

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 楼主| 发表于 2011-4-7 20:12 | 显示全部楼层
本帖最后由 张老五 于 2011-4-7 20:30 编辑

下面简单介绍一下硅钢的制造工艺
见图片:


其实前期的工序同别的钢材也差不多,后期才是关键,特别是退火工艺,这是核心机密

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 楼主| 发表于 2011-4-7 20:12 | 显示全部楼层
本帖最后由 张老五 于 2011-4-7 20:41 编辑

热轧和冷轧硅钢

在此有必要提一下热轧硅钢和冷轧硅钢的差别。目前全世界基本上只有中国还有大规模的热轧硅钢的制造。从制造工艺来看,直到炼钢为止,热轧硅钢和冷轧硅钢的工艺基本上的相同的。主要差别在热轧上。冷轧硅钢是先热轧到一定厚度,再冷轧到需要的厚度。热轧硅钢则不然,由于热轧时钢板处于红热状态下,无法直接轧制到需要的厚度(机械强度不足),所以热轧硅钢都是用叠轧法,即把几块钢板叠在一起进行轧制。比如四块一起轧到2毫米,每块就是0.5.毫米。轧制完成后,等钢板冷却后,再用人力把钢板之间分开。

热轧硅钢和冷轧硅钢相比,优点就是价格低,另外一个优点是冲片后应力小,磁性能下降不明显。但缺点更多:

其一,表面平整度差,尺寸偏差比较大,叠片系数低

其二,热轧硅钢表面没有涂层,靠冷却过程中自然形成的氧化层绝缘,绝缘性能差,损耗偏大(但也有酸洗后或不酸洗再涂胶的工艺,比较少见)

其三,热轧硅钢比较硬,对模具的磨损大一些(这个不一定算缺点)

其四,热轧硅钢由于工艺的原因,成品就是一个长方块,而且因为比较硬,所以没法卷,只能裁成方形或者长方形交货,这样材料的利用率就比较低。相对的,冷轧通常是成卷交货,每卷的长度可达几百米甚至更长。(上千米也不成问题)
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 楼主| 发表于 2011-4-7 20:12 | 显示全部楼层
本帖最后由 张老五 于 2011-4-7 20:49 编辑

关于硅钢的规格型号

硅钢的规格型号,行话叫做牌号,从牌号里就可以看出硅钢的一些主要信息。

硅钢的牌号一般表示为(Amm(B)nnnn


其中A通常是厂商的代码,也有的厂商代码表示在B中,B表示产品系列(这个各厂商都不相同),mm表示钢板厚度*100nnnn表示铁损标称值*100。以B50A470为例,B的宝钢的代号,A表示是普通系列,50表示0.5毫米厚,470表示该牌号的标称铁损值P15/504.7W/kg。类似的产品,太钢的叫50TW470,其中T是太钢的代号,W表示无取向的意思。
同样的,同一牌号的硅钢,性能可能差不多,在鞍钢叫做50AW470,在武钢叫做50DW470.顺便说一句,武钢的牌号很多,470就有50DW470、50WW470、有时还有50W470存在。
甚至国外的牌号也有类似的,比如JFE的就叫做50JN470.


磁性能指标
既然说到了牌号,就顺便说一下硅钢的磁性能指标

主要有这么几个,P10/50P15/50是铁损的主要指标,其中1015是指磁感为1.01.5T5050HZB10B25B50B100,分别表示在当磁场强度为10002500500010000A/m时的磁感值。



磁性能,再进一步的,就是损耗曲线和磁化曲线。大体上损耗曲线主要影响铁耗,损耗是越低越好,磁化曲线主要影响功率因数,磁感是越高越好。只不过这两者之间本身就是一个矛盾体,通常损耗越低的硅钢,磁感也会低一些。所以说,不是牌号越高就一定好,适用最好。

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 楼主| 发表于 2011-4-7 20:12 | 显示全部楼层
本帖最后由 张老五 于 2011-4-7 20:56 编辑

除了磁性能以外,硅钢还有一些性能,主要是影响其加工性,比如延伸率、硬度等等。
下面这些性能可能一般的设计师都不太会关注,但有时它们对加工的影响也是十分巨大的:

板形:平直度、镰刀弯、同板差、浪形、翘曲

板形是一个笼统的概念,包括镰刀弯、同板差(横向厚差、纵向厚度差、厚度偏差等)、浪形(边浪、中浪等)、翘曲等等,总之就是指带钢板面不平整的程度。

镰刀弯主要因带钢剪切时发生偏移,如两侧剪刀不同步、带钢跑偏等;或带钢内应力不均衡所致,在外部张力释放的情况下,两侧内应力不均横导致纵向发生偏移

翘曲主要因带钢内应力在退火过程中未完全消除或卷取、剪切时的应力偏差(如上下剪刃不匹配)所致;在外部张力释放的情况下,带钢往垂直于板面的方向翘曲。

同板差一般情况下主要指横向厚度偏差,指带钢边部25mm
范围内横向厚度的偏差。主要是轧制过程边缘降所致。纵向厚度差则是指带钢长度方向的中心厚度偏差(最大值-最小值);厚度偏差主要指带钢中心厚度和公称厚度的差值。


不平度(波浪度、浪形)一般情况下由轧机产生,也可能因退火过程张力、受热不均,或者在成品剪切时的剪切应力或圆盘剪与带钢运行不同步所致。

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 楼主| 发表于 2011-4-7 20:12 | 显示全部楼层
本帖最后由 张老五 于 2011-4-7 20:59 编辑

其实硅钢还有一个重要的性能,就是涂层,以及跟涂层密切相关的:层间电阻



涂层的种类很多,厚度也各不相同?宝钢无取向电工钢涂层有半有机含铬A、H 涂层,环保K 涂层、环保极厚J涂层,自粘接Z 涂层,环保超厚L 涂层。
A 涂层膜厚0.8±0.2g/m2,H 涂层1.8±0.2g/m2,K 涂层1.0-1.5g/m2,J 涂层2-4 微米,Z 涂层,L 涂层4-7 微米。
涂层不同不仅仅是厚度的差别,层间电阻也各不相同,通常厚的涂层层间电阻会更大一些,叠片后的损耗就会小一些。此外,涂层对冲片性也有一定的影响。

其他各家也差不多,只不过命名可能不同,有的厂家就是C1C2C3一直到C6.
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 楼主| 发表于 2011-4-7 20:12 | 显示全部楼层
本帖最后由 张老五 于 2011-4-7 21:04 编辑

下面介绍一下硅钢的最主要特性,损耗

变压器和电机是根据电磁感应原理制造的,磁路是电能转换的媒介。铁芯就是它们的磁路部分,主要作用是导磁,一般由磁导率很高的冷轧取向电工钢(变压器)或无取向电工钢(电机)制成。绕组中通以很小的励磁电流,在铁芯中可以产生很大的交变磁通,感应出所需要的电势。

铁芯在交流状态下工作,功率损耗不仅在线圈电阻上产生,也产生在交变电流磁化下的铁芯中。通常把铁芯中的功率损耗叫“铁损”,其主要由两个部分组成,一个是“磁滞损耗”,一个是“涡流损耗”。

“磁滞损耗”是铁芯在磁化过程中,由于存在磁滞现象而产生的铁损,这种损耗的大小与材料的磁滞回线所包围的面积大小成正比。电工钢的磁滞回线狭小,用它做铁芯磁滞损耗较小,可使其发热程度大大减小。

“涡流损耗”是由于铁芯在工作时,线圈中产生交变电流,同时产生交变磁通。由此导致在铁芯中产生感应电流。感应电流在垂直于磁通方向的平面内环流产生涡流。涡流发热产生损耗叫涡流损耗。因此铁芯用彼此绝缘的电工钢片叠成,使涡流在狭长形的回路中,通过较小的截面,以增大涡流通路上的电阻;同时电工钢中的硅使材料的电阻率增大,也起到减小涡流的作用。


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 楼主| 发表于 2011-4-7 20:13 | 显示全部楼层
本帖最后由 张老五 于 2011-4-7 21:16 编辑

16#

17#

关于取向和无取向



无取向硅钢各个方向的磁性能比较接近,适用于旋转电机的需求,而取向硅钢轧向磁性最好而非轧向磁性能很差,比较适用于变压器的需求。
因此这就可以回答后面 两位兄弟的问题。
取向硅钢如果用于电机,在工艺和结构都不发生变化的情况下,显示不出什么优越性来。因为电机内是旋转磁场,即使是某一时刻,各处的磁场方向都不相同。而取向硅钢的特点,就是在轧制方向以及一个比较窄的角度范围内(一般是正负20度)性能很好,损耗非常低,而在其他方向则相当地差,损耗可达2-3倍。
因此,这样制造出来的电机,是看不出优点的。我们曾经做过试验,确实是如此。
当然,也有用取向硅钢做电机的,一般是两个极端,一种是特别大的电机,比如现在百万千瓦的发电机就多数是用取向硅钢来做;另一种是小型电机分块式铁心结构的。总之,要估计每个齿,至少也是每组齿都正好处于轧制方向,这样可以充分利用取向硅钢的优越性能。

再回18#
不一定不好,只是体现不出优点来,取向硅钢由于工艺复杂,价格要贵得多,没有好处的事可没人做。而且有能力制造的厂家很少,国内目前只能武钢和宝钢有取向硅钢,鞍钢据说已经做出来了,可就是没见到长什么样。
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[LV.5]常住居民II

 楼主| 发表于 2011-4-7 20:13 | 显示全部楼层
本帖最后由 张老五 于 2011-4-7 21:28 编辑

内容就先讲这些,下面先回答一下后面几位兄弟的问题
24#
听说热轧片损耗以磁滞为主,冷轧以涡流为主,是不?
这个结论我没听说过,也不知道是否确切。据我所知,在同等损耗条件下,热轧硅钢的硅含量要比冷轧高,换句话说,材料的电阻要大,从这个意义上来说,同牌号的热轧硅钢相对于冷轧硅钢来说,磁滞损耗的比例也有可能要大一些。
25#
扫盲菜鸟提问:“硅钢作为铁心的主要成分,请问硅钢的优点在哪儿?就是说用硅钢而不用其他材料的原因是什么?”
其实硅钢的主要优越性就是磁导率比较高,跟磁导率相近的材料比,成本比较低。
在这提一句,现在非晶合金也比较流行,将来配电变压器的发展方向,是非晶合金,还是更高硅含量和更薄的硅钢,倒是一个有趣的话题。期待能看到有内容和根据的意见。
34#
在设计过程中也遇到些问题,如需要硅钢片曲线到2.6T的,找不到相关磁化曲线,不知哪位大侠有,给小弟传个哈!
非常遗憾地告诉你,硅钢材料里这样的曲线是不可能有的。硅钢的极限磁感,也就是略高于2.0T,据说有能做到2.2T的,可惜我也没见到过。如果你一定需要这么高的磁感,建议你试试超导材料或者至少是电工纯铁。
35#
提问:“通常损耗越低的硅钢,磁感也会低一些。”求这句话的意思!磁感低是不是容易饱和?或者说漏磁系数大些?
比较是在相对条件下进行比较,比如同样B25,470就肯定比800要小一些,至于漏磁系数,似乎跟硅钢的材料特性无关。
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[LV.2]偶尔看看II

发表于 2011-4-7 20:15 | 显示全部楼层
哈哈,好位置都被楼主占了!!!
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[LV.5]常住居民II

发表于 2011-4-7 20:16 | 显示全部楼层
老五兄,你太狠了。
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[LV.2]偶尔看看II

发表于 2011-4-7 20:17 | 显示全部楼层
我提一个问题:三相电机要是采用有取向钢会怎样?
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发表于 2011-4-7 20:18 | 显示全部楼层
回复 13# 张老五


    提问:
          硅钢中有无取向和取向的区分问题有以下:
             1.有无取向指的是什么?

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[LV.2]偶尔看看II

发表于 2011-4-7 20:19 | 显示全部楼层
我试着想象一下:电流会大,发热严重,正反转性能会不同。是否正确,请大家评说
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[LV.1]偶尔看看I

发表于 2011-4-7 20:27 | 显示全部楼层
我也占一楼
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[LV.5]常住居民II

发表于 2011-4-7 20:28 | 显示全部楼层
前来报到,站个位置先
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