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对于规范的电机生产厂家,通过供方资质控制及材料进厂检测,对电机用硅钢片质量特性进行检查和分析,而对于不具备铁芯制造能力的厂家,以及小批量大规格电机铁芯,可能就需要通过外购方式解决。为了控制采购铁芯的质量水平,就需要通过必要的检测手段评价其性能水平,即对铁芯的损耗情况进行初步判断,以预防不合格产品的非预期使用,当然也包括铁芯制造工艺对铁芯性能的检测和控制。
铁损检测的目的,除了对材质的性能检测外,还可以检测铁芯是否存在局部过热问题。从理论上分析,铁芯相邻片间的感应电动势与穿过定子铁芯轭部的磁通大小呈正相关,即磁通越多,片间的感应电动势也就越大,在片间短路的部位由涡流产生的损耗也就越大,由此也会产生铁芯温度的升高,即铁芯温升。这个温升值又与铁芯的轭高正相关,当电机铁芯较小时,对电机绕组影响不大,但是对于大规格电机,这类问题会很严重,因而有必要在使用前进行检测和控制。
比较常用的方法是用一个励磁线圈和一个测量线圈,通过励磁线圈电压和匝数的调整,使铁芯轭部磁密达到1T,而后测定铁芯的损耗和温升情况。
从铁芯端观察,励磁线圈与测量线圈应呈直角关系,试验时铁芯应可靠接地,铁芯周围不应有铁磁物质。需要配备的仪表包括监测励磁线圈和测量线圈的电压表、励磁线圈电流表及测量损耗的低功率因数功率表。功率表的电流回路与励磁线圈串联,电压回路接测量线圈。
测量过程中励磁线圈、测量线圈的匝数选择,以及励磁电流的大小估算,涉及到的铁芯参数包括铁芯净长(应核减径向通风道尺寸)、铁芯轭部截面、铁芯外径、铁芯轭部重量和铁芯轭高,还有电源电压及仪表额定电压等。
01试验和测量过程涉及参数的选择
按照铁芯的实际参数,计算励磁线圈和测量线圈的匝数,以及励磁线圈的导体直径,具体的计算和确定程序包括:
(1)计算电源频率50H、铁芯轭部磁密为1T时,每匝线圈的感应电动势e,单位为V,具体计算按式(1)。
式(1)中:
K——铁芯的叠压系数,按照铁芯实际的叠压系数选择;常用的厚度为0.5mm冷轧硅钢片的叠压系数为0.97-0.98。
L——铁芯总长,单位cm;
n——铁芯径向通风道数量;
b——铁芯径向通风道宽度,单位cm;
H——铁芯轭部高度,单位cm。
(2)励磁线圈匝数N1的计算按式(2)计算并取整。
式(2)中:
U1——电源电压,单位V;
e——每匝线圈感应的电动势,按式(1)计算结果。
(3)励磁线圈电流I1的计算按式(3),单位A,由此可以确定励磁线圈导线的截面,一般采用电机引接线。
式(3)中:
F——铁芯磁密为1T时对应的磁场强度,取值范围3.3-4A/cm,该数值按照铁芯实际使用的硅钢片牌号对应的磁化曲线选取;
D——铁芯的外圆直径,单位cm;
H——铁芯轭部高度,单位cm,与式(1)中的H相同;
N1——励磁线圈的匝数,由式(2)求得。
(4)测量线圈匝数N2的计算按式(4)计算取整。
式(4)中:
U2——测量仪表的额定电压,单位V;
e——每匝线圈感应的电动势,按式(1)计算结果。
02试验要求及结果判定
试验时,励磁线圈的电流按照I1选取并通电15分钟,用手在铁芯的齿部、轭部感觉温度的高低,在感觉较高和较低的位置分别同时放置温度计,如果没有明显的温度差异,温度计可以均匀放置。按照每15分钟为间隔读数,试验90分钟结束。读数内容包括励磁电压U0和电流I0、测量电压U2,铁芯温度和环境温度。
对于频率为50Hz的电源,铁芯轭部磁密为1T时,铁芯单位损耗PD按式(5)计算的结果不超过规定牌号硅钢片P10/50保证值的1.3倍即为合格。即:
式(5)中:
PS——试验结束时对应的损耗值,单位W;
G——铁芯轭部净重,单位kg,G的计算按式(6);
U2——测量仪表的额定电压;
U2s——试验结束时对应的测量电压值,单位V。
铁芯轭部净重计算式(6):
式(6)中,S、D、H与本文其他公式中涉及到的代号一致,ρ为硅钢片的密度。
从检测过的铁芯数据分析,质量较好的铁芯,所测得的铁损值一般为P10/50的1.1-1.2倍。对于铁芯温升,温度差按不超过30度控制(质量较好的铁芯温度差小于15度),温升按不高于40-45度控制(质量较好的铁芯温升低于20-25度)。试验过程中,铁芯应不存在因冲片松动而产生的电磁声。
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