Как выбор марки электротехнической стали влияет на эффективность ламинированных сердечников статоров

Правильный выбор марки неориентированной электротехнической стали (NOES) — один из наиболее эффективных и экономически выгодных способов повышения эффективности двигателя до целевых показателей IE4/IE5. Выбор марки стали влияет на потери на гистерезис и вихревые токи, ток намагничивания, повышение температуры, акустический шум и даже на выход годных изделий при производстве ламинированных пластин.

Почему важен выбор оценок

Онсердечник статораЭто многослойная магнитная цепь. Материал и толщина каждого слоя определяют удельные потери сердечника (Вт/кг) при заданной плотности магнитного потока и частоте, что, в свою очередь, определяет:

• Эффективность:Меньшие потери железа → меньше тепла → меньшие общие потери → более высокая КПД.
• Намагничивающий ток:Более высокая магнитная проницаемость и более низкая коэрцитивная сила снижают ток холостого хода и потери I²R в меди.
• Тепловые характеристики:Снижение потерь в сердечнике уменьшает рабочую температуру, продлевая срок службы изоляции и подшипников.
• Акустический шум:Низкие значения магнитострикции и низкие потери снижают вибрацию и слышимый гул.
• Технологичность производства:Прочность и класс покрытия влияют на образование заусенцев при штамповке, срок службы штампа, межслойную изоляцию и коэффициент упаковки.

Для сердечников статоров используются неориентированные стали (NOES) (изотропные свойства в плоскости). Ориентированные по зерну стали используются в трансформаторах и не подходят для вращающихся машин из-за своей анизотропии.

Общие потери в сердечнике Pcore можно представить следующим образом:
Pcore = kh*f*Bn +ke*f2*B2*t2 +Pexcess

Где:

• f = частота
• B = пиковая плотность потока
• t = толщина ламината
• kh, ke = material constants
• n ≈ 1,6–2,0 (эмпирические данные)
• Pexcess = доменная стенка и член аномальных потерь

Подразумеваемое:
Потери на гистерезис пропорциональны f * Bn и зависят от коэрцитивной силы и микроструктуры (марки).
Потери от вихревых токов масштабируются ≈ f² * B² * t² и очень чувствительны к толщине t и удельному сопротивлению.
Улучшение характеристик стали (например, от M470-50A → M300-35A → M235-27A) снижает как гистерезис (более чистая текстура, более низкое значение Hc), так и вихревые потери (более тонкие пластины и более высокое удельное сопротивление), особенно на высоких частотах.

Типичные варианты электротехнической стали для электродвигателей

Мы часто поставляем следующие типичные категории NOES:

Типичные характеристики NOES (при 1,5 Тл, 50 Гц)

Класс (толщина)	Основные потери P1.5/50 (Вт/кг)	Б50 (Т)	Hc (А/м)	Удельное сопротивление (мкОм·м)	Предел текучести (МПа)	Ламинирующее покрытие	Индекс стоимости*
M470-50A (0,50 мм)	4.7	1.70	35	0,47	420	C3/C5	1.00
М300-35А (0,35 мм)	3.0	1.75	30	0,48	480	C5	1.12
M235-27A (0,27 мм)	2.3	1.80	28	0,50	520	C5/C6	1.22

* Индекс стоимости указан относительно M470-50A = 1,00; фактические цены могут меняться в зависимости от рыночной конъюнктуры.

Примечания:

• Более тонкие измерительные приборы (0,35 мм, 0,27 мм) значительно снижают вихревые потери (∝ t²).
• Более высокое содержание кремния и более чистая микроструктура снижают потери на гистерезис и магнитострикцию.
• Класс покрытия (C3/C5/C6) влияет на межслойное сопротивление, термический класс и коэффициент упаковки.

Частотная чувствительность — почему тонкие материалы выигрывают на высоких скоростях.

При повышенной электрической частоте (из-за большего количества полюсов или высокоскоростных приводов) величина вихревых потерь возрастает с ростом f². Более тонкие материалы сохраняют эффективность.

Предположим, масса статора составляет 9 кг, базовый магнитный поток близок к 1,5 Тл, а коэффициент масштабирования составной частоты P∝f1,5 (практическое эмпирическое правило). В следующей таблице сравниваются общие потери в железе статора для разных марок.

Зависимость потерь в железе статора от частоты (масса статора 9 кг)

Частота	M470-50A (0,50 мм)	М300-35А (0,35 мм)	M235-27A (0,27 мм)
50 Гц	42,3 Вт	27,0 Вт	20,7 Вт
100 Гц	119,6 Вт	76,4 Вт	58,5 Вт
200 Гц	338,4 Вт	216,0 Вт	165,6 Вт
400 Гц	957.1 Вт	610,9 Вт	468,4 Вт

Результат: При частоте 200–400 Гц (типичной для высокоскоростных шпинделей или гармонических спектров тяги) увеличение толщины проволоки с 0,50 мм до 0,27 мм может снизить потери железа примерно на 50%.

Пример конкретного двигателя: 7,5 кВт, 4-полюсный, 50 Гц.

Рассмотрим универсальный электродвигатель с термоэлектрическим прикуривателем мощностью 7,5 кВт. Чтобы изолировать влияние класса статора, необходимо сохранить постоянными параметры обмотки, корпуса и ротора.

Предположения (иллюстративные):

• Выходная мощность Pout = 7,5 кВт
• Масса статора = 9 кг
• Потери меди (при полной нагрузке) = 150 Вт
• Потери на паразитной нагрузке = 70 Вт
• Механическая нагрузка (сопротивление воздуха + трение) = 30 Вт
• Потери в сердечнике = согласно таблице 2 (50 Гц)

Сравнение эффективности и тепловыделения при частоте 50 Гц.

Оценка	Потери в железе статора (Вт)	Прочие убытки (W)	Общие потери (W)	Эффективность η
M470-50A (0,50 мм)	42.3	250.0	292.3	96,25%
М300-35А (0,35 мм)	27.0	250.0	277.0	96,44%
M235-27A (0,27 мм)	20.7	250.0	270.7	96,52%

Интерпретация:

Переход с M470-50A на M300-35A повышает эффективность примерно на 0,19 процентных пункта.

Переход на M235-27A дает прирост примерно на 0,27 процентных пункта.

Даже небольшие выигрыши в показателе η имеют ценность:Они снижают нагрев, упрощают тепловую конструкцию и часто позволяют использовать более компактный корпус или повышать перегрузочную способность.

Намагничивающий ток:Как правило, при использовании NOES более высокого качества ток холостого хода снижается на 5–12% на практике при том же целевом значении флюса, что дополнительно уменьшает нагрев меди (количественная оценка выше не приведена для обеспечения консервативности сравнений).

Соотношение затрат и выгод, а также срок окупаемости.

Давайте оценим годовую экономию энергии для вышеупомянутого двигателя мощностью 7,5 кВт, работающего 8000 часов в год при частоте 50 Гц и тарифе на электроэнергию в размере 0,8 юаня/кВт·ч.

• M470-50A → M300-35A: снижение потерь в железе = 15,3 Вт
  Ежегодная экономия энергии составляет ≈ 0,0153 кВт × 8000 ч = 122,4 кВт·ч → 97,9 юаней в год.
• M470-50A → M235-27A: снижение потерь в железе = 21,6 Вт
  Ежегодная экономия энергии составляет приблизительно 0,0216 кВт × 8000 ч = 172,8 кВт·ч → 138,2 юаня/год.

Если, например, надбавка за материал составляет 5 йен/кг для M300-35A и 10 йен/кг для M235-27A (статор 9 кг):

• М300-35А:Дополнительные затраты ≈ 9 кг × 5 йен = 45 йен → окупаемость ≈ 5–6 месяцев.
• М235-27А:Дополнительные затраты ≈ 9 кг × 10 йен = 90 йен → окупаемость ≈ 8–9 месяцев.

Заключение:Для электродвигателей непрерывного действия модернизация электротехнической стали часто окупается в течение года.

Выбор марки стали также влияет на качество продукции.

1. а) Контроль заусенцев и срок службы штампа
   Для изготовления более прочных и тонких деталей требуется острый инструмент, но взамен вы получите заусенцы размером < 10 мкм (при надлежащем уходе за матрицей). Небольшие заусенцы уменьшают межслойные перемычки и, следовательно, потери от вихревых потоков.
2. б) Класс покрытия и коэффициент укладки
   Покрытия C5/C6 обеспечивают высокое межслойное сопротивление и термическую стабильность при пропитке VPI/смолой.
   Типичный коэффициент укладки составляет 0,94–0,98 в зависимости от толщины покрытия и метода склеивания. Более высокий коэффициент укладки увеличивает эффективную магнитную длину.
3. c) Метод укладки

• Блокировка/выемка:Экономично, но размещайте выемки подальше от путей максимального потока, чтобы ограничить локальные потери.
• Склеенные пакеты (изоляционный клей):Отличное демпфирование и низкий уровень шума; немного меньший коэффициент усиления, чем у запрессованных стеков с тонким покрытием.
• TIG/лазерная сварка, пожалуйста:Используйте экономно; сварочные следы должны оставаться в областях с низким содержанием флюса.

1. d) Управление стрессом
   Штамповка вызывает остаточные напряжения, которые увеличивают потери. Мы минимизируем их за счет:

• Штампы с малым зазором и жесткие прессы.
• Оптимизированное направление подачи, выровненное по текстуре полосы для достижения наилучшей изотропии.
• Инструмент с низким уровнем деформации обеспечивает равномерность заусенцев и минимизирует повреждение волокон.

1. e) Контроль размеров
   Жесткие допуски матрицы обеспечивают сохранение ширины паза, радиуса кончика зуба и ширины мостика, что напрямую влияет на поток в воздушном зазоре, гармонический состав и, следовательно, на потери и шум.

Взаимодействие в дизайне

Более высокая оценка позволяет скорректировать компромиссы в проектировании:

• Поддержание плотности магнитного потока с меньшими потерями → более низкая температура работы при том же крутящем моменте.
• Увеличение плотности магнитного потока без превышения температурных пределов → более высокая плотность крутящего момента при тех же параметрах рамы.
• Снижение намагничивающего тока → потенциально уменьшает поперечное сечение меди или приводит к повышению температуры.
• Снижает уровень акустического шума при сочетании с косым изгибом, профилированием кончика зуба и оптимизацией пазов/полюсов.

Поскольку вихревые потери пропорциональны t², тонкие изоляторы становятся особенно ценными, когда гармоники в пазах или ШИМ инвертора увеличивают эффективную частотную характеристику. Сочетание тонких изоляторов с асимметричным ротором/статором, распределенными обмотками и геометрией зубьев, учитывающей гармоники, еще больше усиливает этот эффект.

Приложение

Приложение	Частота*	Приоритет	Рекомендуемая толщина	Типичная группа оценок
Промышленные двигатели IE3/IE4 (насосы, вентиляторы)	50–60 Гц	КПД при номинальной мощности, стоимость	0,35–0,50 мм	семейство М300–М470
Высокоскоростные воздуходувки и шпиндели	100–400 Гц	Потеря железа при высокой температуре	0,20–0,27 мм	тонкостенный металл M235–M270
Электропривод тяги и электрические оси	100–1000 Гц (гармоники)	Низкие потери + сила	0,20–0,27 мм	Тонкостенный, высокопрочный металл M235
Сервомоторы и робототехника	100–400 Гц	Низкие потери + низкий уровень шума	0,27–0,35 мм	М235–М300
Генераторы и ветроэнергетика	50–100 Гц	Эффективность + коррозия	0,35 мм	М270–М300
Бытовая техника	50–60 Гц	Расходы	0,35–0,50 мм	М300–М470

* Эффективная электрическая частота; количество полюсов и стратегия управления имеют значение.

Практический контрольный список для инженеров

Определить рабочий спектр
Какова базовая частота? Есть ли VFD? Оцените содержание гармоник и пиковое значение BBB. Если частоты выше 100 Гц являются значимыми, отдавайте приоритет ≤ 0,35 мм, в идеале 0,27 мм.

Выберите целевую плотность потока
В типичных конструкциях двигателей используется 1,2–1,6 Тл на ярмо. Более высокое значение BBB увеличивает крутящий момент, но усиливает гистерезис и магнитострикцию. Подберите марку в соответствии с целевым значением BBB.

Установить бюджет убытков
Выделите бюджет потерь железа (Вт/кг × кг). Используйте кривые поставщика на вашем уровне BBB и fff (или масштабируйте с помощью f1.5f1.5f1.5, если это на ранней стадии). Низкие фракции помогают оставаться в рамках бюджета.

Проверьте технические потребности
Для узлов с высокими оборотами необходимо подтвердить предел текучести/предел прочности на разрыв и рассмотреть возможность использования приклеенных пакетов для демпфирования. Убедитесь, что наклонные пакеты сохраняют свои размеры.

Выберите метод нанесения покрытия и штабелирования.
Выбирайте C5/C6 для обеспечения высокого межслойного сопротивления и термической стабильности. Необходимо найти баланс между коэффициентом упаковки и преимуществами склеивания.

Проверьте с помощью прототипов.
Мы предоставляем образцы, вырезанные лазером.ламинированиедля быстрой электромагнитной проверки и пилотной штамповки с целью измерения заусенцев, коэффициента укладки и стабильности размеров.

Проведите расчет рентабельности инвестиций.
Рассчитайте экономию энергии за счет снижения потерь в железе, добавьте экономию за счет снижения потерь в меди из-за уменьшения намагничивающего тока и сравните с надбавкой за материал. При непрерывной работе срок окупаемости обычно составляет менее 1 года.

Шум, вибрация, жесткость (NVH)

Магнитострикция и остаточные напряжения являются основными факторами, определяющими уровень шума и вибрации. Более высококачественная технология NOES (с меньшей магнитострикцией) и более тонкие ламинированные пластины снижают вибрацию, передаваемую через сердечник. Сочетание повышения качества с косым (дробным) пазом, разгрузкой кончика зуба и точным контролем воздушного зазора обеспечивает наилучшие акустические результаты.

Применяемые нами меры контроля качества

• Проверка входящих катушек:толщина, плоскостность, адгезия покрытия, P1.5/50, отбор проб с помощью петли B-H.
• Штамповка:прецизионные прогрессивные штампы, внепрессовые измерители заусенцев и статистический контроль заусенцев (< 10 мкм на полосе 0,27–0,35 мм).
• Складирование:Соединение с помощью замков или клея с документированным коэффициентом укладки и классом балансировки.
• Электрическая проверка:Проведение кольцевых пробных испытаний для определения потери керна и проницаемости по каждой производственной партии.
• Размерность:100% контроль в процессе производства по ширине паза, шагу зубьев, наружному/внутреннему диаметру и углу перекоса; выборочный контроль с помощью координатно-измерительной машины (КИМ) на первых изготовленных деталях.

Подводя итоги — схема рекомендаций

Начните с профиля работы (непрерывный/прерывистый) и электрической частоты.
Толщину следует выбирать в соответствии с бюджетом потерь железа на данной частоте (≤ 0,35 мм выше 100 Гц, ≤ 0,27 мм для > 200 Гц).
Улучшите качество стали в пределах выбранной толщины, чтобы достичь целевого значения P1.5/50, сохраняя при этом магнитную проницаемость и магнитострикцию под контролем.
Подтвердите технологичность изготовления (заусенцы, покрытие, метод укладки).
Создание прототипа → измерение → фиксация спецификации материалов и оснастки.

Пример

• Универсальный двигатель класса IE3/IE4, 2–90 кВт:M300-35A обеспечивает существенное повышение эффективности при умеренной надбавке, зачастую с окупаемостью менее чем за год при непрерывной эксплуатации.
• Высокоскоростной вентилятор/сервопривод:M235-27A позволяет создавать компактные статоры с контролируемым повышением температуры и более низким уровнем шума и вибрации.
• Вспомогательные тяговые машины:Тонкостенная высокопрочная NOES-пленка обеспечивает приемлемые потери на ШИМ-гармониках, одновременно отвечая механическим требованиям.