导磁槽楔.doc

1、导 磁 槽 楔能 源 短 缺 和 全 球 变 暖 是 我 们 面 临 的 巨 大 挑 战 ， 在 电 机 中 使 用 磁 性 槽 楔可 以 提 高 效 率 、 降 低 温 升 、 减 小 震 动 和 噪 声 。 目 前 国 内 生 产 的 磁 性 槽 楔 大多 在 质 量 和 性 能 方 面 与 国 外 产 品 有 较 大 差 距 。 我 们 开 发 了 高 性 能 耐 高 温 导 磁槽 楔 (本 产 品 为 北 京 福 润 达 集 团 企 标 产 品 )。 本 文 首 先 综 述 了 磁 性 槽 楔 在 电 机 效 率 提 高 和 温 升 降 低 方 面 的 应 用 ， 评 估高 性 能 耐

2、 高 温 导 磁 槽 楔 的 各 种 性 能 ： 力 学 性 能 如 常 温 高 温 的 弯 曲 强 度 、 电 性能 如 体 积 电 阻 、 磁 性 能 如 相 对 磁 导 率 。 另 外 ， 我 们 还 和 几 家 制 造 商 的 磁 楔进 行 了 比 较 ， 结 果 显 示 我 们 的 产 品 与 其 他 国 外 厂 商 的 产 品 的 各 项 性 能 在 同 一水 平 上 。 我 国 的 用 电 量 每 年 都 在 快 速 增 长 ， 2010 年 的 用 电 量 将 达 4 万 亿 千 瓦 小时 ， 这 其 中 约 60%是 电 机 消 耗 的 ， 由 于 耗 能 大 ， 国 家 把

3、 电 机 系 统 的 节 能 列 为“十 五 ”十 大 节 能 工 程 之 一 。 电 机 效 率 的 提 高 对 缓 解 能 源 短 缺 和 减 小 温 室气 体 的 排 放 有 积 极 意 义 ， 电 机 效 率 提 高 1%可 节 约 上 百 亿 度 电 ， 减 小 上 百 亿公 斤 二 氧 化 碳 排 放 。 有 几 种 方 法 可 以 提 高 发 电 机 的 效 率 ， 例 如 选 用 不 同 类型 的 发 电 机 、 优 化 电 机 设 计 、 使 用 更 多 的 有 效 材 料 、 选 用 高 性 能 的 硅 钢 片 、采 用 先 进 的 控 制 技 术 。 使 用 导 磁 槽

4、楔 则 是 一 种 经 济 有 效 的 方 法 。 另 外 ， 电 机向 体 积 小 、 重 量 轻 、 功 率 大 、 高 效 节 能 方 向 发 展 ， 电 机 温 升 也 是 电 机 设 计 必须 考 虑 的 因 素 。 导 磁 槽 楔 可 以 降 低 发 电 机 的 温 升 ， 提 高 电 机 的 运 行 可 靠 性 , 而 且 导 磁 槽 楔 对 减 小 噪 音 和 振 动 有 一 定 作 用 。 磁 性 槽 楔 提 高 电 机 性 能 的 机 理 主 要 是 通 过 改 善 气 隙 的 磁 密 分 布 和 幅 值 来实 现 的 。 张 海 军 1等 人 用 有 限 元 法 比 较

5、了 应 用 磁 性 和 非 磁 性 槽 楔 对 气 隙 中磁 密 分 布 的 影 响 。 分 析 结 果 表 明 磁 性 槽 楔 使 磁 通 密 度 趋 于 平 滑 ， 波 动 明 显 减小 。 何 山 ， 王 维 庆 ， 张 新 燕 ， 朱 川 江 ， 李 建 明 研 究 了 磁 性 槽 楔 对 大 型永 磁 风 力 发 电 机 性 能 的 影 响 。 对 导 磁 性 能 不 同 的 磁 性 进 性 了 实 际 计 算 和 测 试 ，结 果 表 明 发 电 机 使 用 导 磁 性 能 较 好 的 磁 性 槽 楔 (相 对 磁 导 率 为 3 1O)后 ，不 论 带 负 荷 还 是 不 带 负

6、 荷 ， 电 机 的 气 隙 磁 密 分 布 都 会 较 不 使 用 磁 性 槽 楔 变 得更 加 均 匀 ， 磁 密 脉 动 和 铁 耗 减 小 ， 气 隙 系 数 减 小 ， 电 机 的 温 升 降 低 ， 效 率 得到 提 。 具 体 来 说 ， 在 空 载 时 ， 形 成 的 空 载 气 隙 磁 密 相 比 较 可 以 看 出 ： 气 隙 磁 密的 最 大 值 由 1 957T 变 为 1 837T， 磁 密 的 最 小 值 由 1 11 T 变 为1 303T， 采 用 磁 性 槽 楔 的 气 隙 磁 密 的 脉 振 幅 值 显 著 减 少 ， 因 而 电 机 表 面 损耗 减 小

7、； 在 负 载 时 ， 磁 密 的 最 小 值 由 0.752 T 变 为 0.916T,幅 值 有 所 减 小 。梁 艳 萍 ， 陈 晶 ， 刘 晶 鹏 3 通 过 建 立 二 维 瞬 态 场 数 学 模 型 ， 采 用 场 -路 -运 动 耦 合 时 步 有 限 元 分 析 磁 性 槽 楔 影 响 的 方 法 。 一 台 使 用 磁 性 槽 楔 的 710 kW 的 高 压 感 应 电 机 为 例 ， 计 算 了 气 隙 磁 密 分 布 、 槽 漏 抗 及 附 加 损 耗 等 电 磁 量 ，并 在 此 基 础 上 ， 深 入 分 析 磁 性 槽 楔 相 对 磁 导 率 的 变 化 对 电

8、机 电 磁 参 数 、 相 电流 、 转 矩 和 径 向 电 磁 力 等 的 影 响 。 计 算 结 果 表 明 ， 磁 性 槽 楔 可 以 有 效 减 小 气隙 磁 密 中 的 谐 波 含 量 ， 降 低 表 面 损 耗 和 径 向 电 磁 力 波 。 邓 庆 华 等 4研 究 者报 道 带 有 磁 性 槽 楔 的 气 隙 系 数 的 计 算 公 式 ， 并 与 测 量 值 进 行 了 比 较 ， 比 较 表明 计 算 公 式 与 测 量 值 误 差 在 3%以 内 。 另 外 ， 该 公 式 也 可 以 用 于 非 磁 性 槽 楔 。如 上 所 述 ， 磁 性 槽 楔 能 改 善 气 隙

9、的 磁 密 分 布 ， 减 小 脉 动 ， 从 而 提 高 了 效率 、 减 小 了 铁 损 ， 降 低 了 温 升 ， 大 量 文 章 报 道 了 这 方 面 的 实 测 结 果 。 黄 鹏 程5研 究 了 磁 性 槽 楔 的 电 机 温 升 的 影 响 ， 设 计 的 电 机 在 做 型 式 试 验 时 发 现温 升 偏 高 ， 超 过 了 标 准 的 要 求 ， 主 要 原 因 是 设 计 铁 损 比 实 测 值 高 很 多 。 通 过使 用 磁 性 槽 楔 ， 铁 损 下 降 了 ， 温 升 明 显 下 降 ， 达 到 了 设 计 要 求 。 经 计 算 ， 使用 磁 性 槽 楔 ，

10、卡 氏 系 数 明 显 降 低 。 顾 定 芳 6在 九 十 年 代 初 总 结 了 用 磁 性 槽 楔 改 造 各 种 规 格 的 电 机 以 提 高效 率 和 降 低 温 升 方 面 的 数 据 。 数 据 表 明 使 用 磁 性 槽 楔 后 电 机 效 率 提 高 0.8%到1.7%， 温 升 约 降 低 9 度 ， 同 时 最 大 转 矩 和 启 动 转 矩 降 低 4%到 7%。 李 军 ， 刘 颖 ， 许 自 贵 等 人 7报 道 了 层 压 磁 性 槽 楔 的 性 能 及 其 对 电 机 性能 的 影 响 。 使 用 磁 性 槽 楔 后 ， 电 机 （ 475kW， 6kV） 效

11、 率 提 高 1.26%， 温 升降 低 约 6 摄 氏 度 。 顾 德 军 和 顾 卫 东 报 道 了 使 用 磁 性 槽 楔 后 ， 气 隙 磁 密 较 均 匀 ， 脉 振 幅值 减 小 。 另 外 ， 他 们 实 测 了 两 台 电 机 （ 400kW 10kV， 710kW 10kV） 有 磁 性槽 楔 和 无 磁 性 槽 楔 的 对 比 性 能 ， 数 据 表 明 电 机 效 率 提 高 1%， 温 升 降 低 6 摄氏 度 ， 噪 声 降 低 5 分 贝 。 姜 洪 ， 台 汝 惠 等 使 用 磁 性 槽 楔 来 降 低 电 机 温 升 。 他 们 在 对 两 台 电 机测 试 时

12、 发 现 电 机 温 升 偏 高 ， 达 到 了 电 机 温 升 的 临 界 值 。 通 过 使 用 磁 性 槽 楔 ，电 机 温 升 降 低 了 7 度 到 8 度 ， 效 率 提 高 了 1.5%和 1.4%， 噪 音 降 低 了 3.8和 2.8 分 贝 。 黄 鹏 程 10也 报 道 了 电 机 型 式 试 验 时 发 现 温 升 偏 高 的 现 象 。 经计 算 ， 采 用 磁 性 槽 楔 时 ， 卡 氏 系 数 和 原 来 的 比 较 降 低 了 约 30%， 温 升 也 达到 了 正 常 状 态 。 伍 庆 体 11报 道 了 电 机 在 使 用 磁 性 和 非 磁 性 槽 楔

13、时 电 机 的 各 项 数 据 。 所用 电 机 功 率 是 250kW 和 630kW， 电 压 是 6kV。 数 据 表 明 电 机 效 率 提 高 约 0.8%;温 升 降 低 约 9 度 。 另 外 ， 磁 性 和 非 磁 性 槽 楔 在 一 种 新 型 电 机 上 应 用 时 ， 电机 效 率 提 高 更 为 明 显 ， 效 率 从 91.27%提 高 到 93.08%。 此 外 ， 文 章 还 就 防 止磁 性 槽 楔 脱 落 提 出 了 一 些 措 施 ， 如 严 格 控 制 装 配 间 隙 、 在 和 线 圈 接 触 的 面 涂胶 、 控 制 VPI 工 艺 参 数 。 还 有

14、 几 篇 文 章 也 报 道 了 这 方 面 的 实 测 结 果 12, 13, 14, 15, 16。 综 上 所 述 ， 使 用 磁 性 槽 楔 可 以 提 高 效 率 、 降 低 温 升 和 减 少 噪 声 。 图 1 是 文 献 中 报 道 使 用 磁 性 槽 楔 后 电 机 效 率 提 高 数 据 。 横 坐 标 是 电 机 功 率 ，纵 坐 标 是 电 机 效 率 的 提 高 ， 从 图 中 可 以 看 出 电 机 效 率 可 以 提 高 0.5%到 1.7%，平 均 约 1%。 图 2 是 文 献 中 报 道 使 用 磁 性 槽 楔 后 电 机 温 升 的 降 低 数 据 。 从

15、 图 可 见 ， 电 机 温升 可 降 低 6 到 8 摄 氏 度 。 1.2 磁 性 槽 楔 的 要 求 层 压 磁 性 槽 楔 主 要 是 由 玻 璃 纤 维 布 、 环 氧 树 脂 、 铁 粉 和 其 他 添 加 剂 组 成 。有 很 多 种 类 的 磁 性 槽 楔 ， 如 磁 性 槽 泥 、 模 压 磁 性 槽 楔 、 引 拔 型 磁 性 槽 楔 、 层压 型 磁 性 槽 楔 。 磁 性 槽 泥 的 特 点 是 容 易 使 用 和 具 有 高 的 相 对 磁 导 率 ， 它 的 缺点 是 质 量 的 一 致 性 难 以 保 证 ， 强 度 低 ， 尤 其 是 高 温 强 度 低 。 这

16、 对 使 用 VPI工 艺 的 电 机 是 不 利 的 。 模 压 磁 性 槽 楔 具 有 平 衡 的 磁 性 能 和 力 学 性 能 ， 但 是 专模 专 用 ， 生 产 效 率 低 ， 成 本 太 高 。 引 拔 型 磁 性 槽 楔 使 用 铁 丝 ， 材 料 力 学 性 能各 向 异 性 ， 如 果 铁 丝 脱 落 ， 给 电 机 的 运 行 安 全 带 来 隐 患 。 模 压 磁 性 槽 楔 和 引拔 型 磁 性 槽 楔 尺 寸 精 度 都 取 决 于 模 具 的 精 度 ， 再 加 工 性 能 差 。 与 上 述 磁 性 槽楔 相 比 ， 层 压 磁 性 槽 楔 综 合 性 能 好

17、， 如 生 产 效 率 高 、 成 本 低 、 力 学 强 度 高 、磁 性 能 适 中 、 机 加 工 性 能 好 ， 国 外 制 造 商 大 多 生 产 层 压 磁 性 槽 楔 。 1.2.1. 磁 性 槽 楔 的 力 学 性 能 要 求 磁 性 槽 楔 在 装 配 和 运 行 中 要 承 受 各 种 力 。 在 运 行 中 ， 齿 区 磁 场 与 磁 性 槽楔 中 电 流 的 相 互 作 用 力 （ 要 求 磁 性 槽 楔 的 体 积 电 阻 要 高 ） 、 齿 区 磁 场 与 磁 性槽 楔 的 磁 拉 力 、 铁 心 齿 部 机 械 振 动 传 给 磁 性 槽 楔 的 力 17， 在

18、装 配 中 ， 由于 尺 寸 公 差 配 合 ， 磁 性 槽 楔 要 受 到 冲 击 力 ； 另 外 ， 要 求 铁 粉 与 树 脂 要 有 足 够的 粘 接 强 度 。 这 就 要 求 磁 性 槽 楔 要 有 足 够 的 弯 曲 强 度 、 模 量 、 粘 合 强 度 和 冲击 韧 性 。 1.2.2 磁 性 槽 楔 的 耐 温 性 能 要 求 随 着 电 机 技 术 的 发 展 ， 耐 温 等 级 越 来 越 高 ， 工 况 更 恶 劣 ， 这 对 磁 性 槽 楔的 要 求 也 更 高 了 ； 另 外 ， 电 机 制 造 新 工 艺 如 VPI 对 磁 性 槽 楔 的 耐 温 也 有 严格

19、 要 求 。 这 些 都 要 求 磁 性 槽 楔 具 有 高 温 耐 热 性 能 及 高 温 稳 定 性 。 1.2.3 磁 性 槽 楔 磁 性 能 的 要 求 磁 性 槽 楔 应 具 有 适 当 的 磁 性 能 ， 即 应 有 适 当 的 相 对 磁 导 率 。 相 对 磁 导 率太 高 ， 漏 磁 将 增 大 ， 转 矩 将 降 低 ； 反 之 ， 相 对 磁 导 率 太 低 ， 导 磁 槽 楔 对 提 高电 机 效 率 、 降 低 温 升 、 减 少 噪 音 和 振 动 的 作 用 不 明 显 。 2 材 料 与 方 法 根 据 以 上 这 些 要 求 ， 我 们 选 用 了 环 氧 体

20、 系 作 为 磁 性 槽 楔 的 树 脂 体 系 。 环氧 树 脂 的 分 子 量 和 官 能 团 决 定 了 环 氧 树 脂 性 能 。 大 分 子 量 环 氧 韧 性 好 、 粘 合强 度 高 ， 但 是 耐 高 温 性 能 差 ； 小 分 子 量 或 多 官 能 团 环 氧 刚 性 好 、 耐 高 温 ， 但是 ， 韧 性 差 和 粘 合 强 度 低 。 固 化 剂 的 种 类 同 样 影 响 导 磁 槽 楔 的 各 种 性 能 ， 我们 选 择 耐 高 温 性 能 好 的 固 化 剂 。 我 们 采 用 多 种 环 氧 树 脂 复 配 体 系 ， 并 对 配 方进 行 了 优 化 设 计 ， 这 样 可 以 获 得 综 合 性 能 优 异 的 磁 性 槽 楔 。 图 3 显 示 了 三 种 环 氧 树 脂 混 合 优 化 图 。 根 据 性 能 要 求 ， 得 到 优 化 的 组 份 。 图 4 显 示 响 应 曲 面 法 优 化 固 化 剂 和 促 进 剂 的 组 合 。 配 方 体 系 是 由 复 配 环 氧 树 脂 、 铁 粉 、 固 化 剂 、 溶 剂 、 和 其 他 添 加 剂 组 成 。 将这 些 成 份 充 分 混 合 与 玻 璃 布 结 合 ， 再 通 过 上 胶 炉 ， 得 到 预 浸 片 ， 经 压 制 得 到层 压 导 磁 板 。