CN105871084A

CN105871084A - 一种发电机的励磁组件以及制造方法

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Publication number: CN105871084A
Application number: CN201610279862.1A
Authority: CN
Inventors: 格温·约翰斯顿
Original assignee: Tengpu (Changzhou) Precision Machinery Co Ltd
Current assignee: Tengpu (Changzhou) Precision Machinery Co Ltd
Priority date: 2016-05-03
Filing date: 2016-05-03
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2036-05-03
Also published as: CN105871084B

Abstract

本发明属于发电机领域，特别涉及一种发电机的励磁组件以及制造方法。一种发电机的励磁组件，所述的励磁组件由一个励磁转子和一个励磁定子组成，其特征在于：所述的励磁转子和励磁定子分别由一套材质相同的电工钢冲片叠加而成，所述的电工钢冲片至少包括以下重量比例的元素：碳低于0.04％锰0.15％至1.0％磷0.005％至0.12％硅大于0.60％铝0.05％-1.0％；其余为铁元素和杂质。设计了一种具有独立的励磁组件，且所述的励磁组件的励磁转子和励磁定子由一套材质相同的电工钢冲片叠加而成，进一步的，对电工钢冲片的组份进行了改进，提高了硅在冷轧电工钢中的含量(CRES)，在全硬的条件下，和提高矫顽力类似，通过使用合金添加剂和处理的替代技术来得到较高的电磁性能。

Description

一种发电机的励磁组件以及制造方法

技术领域

本发明属于发电机领域，特别涉及一种发电机的励磁组件以及制造方法。

背景技术

众所周知，电动机是利用通电线圈(也就是定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子(如鼠笼式闭合铝框)形成磁电动力旋转扭矩。而发电机与电动机恰恰相反。通过外部旋转的机械动能或者由插入转子内定轴的驱动产生旋转磁场作用于定子绕组来为电力设备提供动能。在大多数情况下，用来制造定转子的材料将被冲压成钢片，再由钢片叠压成定转子的铁芯。

不管是电动机还是发电机都适用一个基本的物理法则“右手定则”，即当电流在一个绕组中沿着一个方向(x方向)，对电流在90度(y方向)范围内产生电磁场，同时在与两个方向正交的方向(z方向)产生作用力。因此，一个电动机和发电机的设计标准应基于一个带绕组的固定定子，并且和一个基于定转子间产生电磁场的转子配对在一起。对于一个电动机，定子绕组的电流方向与转子一起产生一片磁场来产生驱动转子旋转的动力，即机械动能。

对于一台发电机，在转子中的电磁场或电流伴随着旋转产生的外部驱动，与定子发生耦合并在定子绕组中产生磁力电流。仅转子本身而言，其内部的旋转或驱动力不足以驱使发电机启动和运转。转子的绕组线圈也会带有磁场和电流，转子绕组某种程度也会产生电流，这个过程被称之为“转子励磁”。

针对市场上为了使其小型化或备用的发电机设计，有一些技术可以被用来获得转子的电磁场或电流，进而使发电机里的转子励磁(并且随后在定子里产生电流)。

1、永磁体可以和励磁线圈一起加到转子中。永磁体的旋转会在励磁线圈上产生电流，接下来会诱导转子主线圈也产生电流，随后定子线圈的电磁场也会产生电流。

2、瞬时电感可以和励磁线圈一起被加到转子中去。转子的旋转在瞬时电感和绕组间产生电流(利用外加电压)，接下来会诱导转子主线圈也产生电流，随后定子线圈的电磁场也会产生电流。

3、具有保持一个弱磁特性的硬电工钢片，可以用作电机部件的设计，在抛亮后，其仍可保留永磁的特性。绕组线圈的旋转使永磁场产生电流，又对定子产生电流形成自励。

应用于发电机的电工钢有两种类别，第一是通过合金成分来使其硬化，第二是通过热处理来获得的全处理钢。相比较于用磁体或者瞬时电感的设计，这两种设计的固有缺陷是当成本降低时，其永磁体的量也随之降低。特别是当伴随高温操作时磁场的减弱，很可能会导致发电机的启动故障。

作为参考，ASM金属手册(2nd Ed.,p 29)将“全处理”定义为：“一种将非铁合金和一些铁合金一致地不在一个冷的状态下发生形变的退火过程。规范来说，一种全处理退火就是定义在完全退火后最低硬度和最小抗拉强度百分比一致性的冷轧工艺。”

更复杂的是在有些情况下转子的设计会分成两部分，一部分为主转子，另一部分是连着独立励磁绕组的转子绕组线圈。简易的替代设计是将主要的绕组线圈和独立的励磁绕组线圈组合到一个转子结构中。

图1所示，从透视图上看，一个现代技术发电机10的主定子由转子11里虚线部分标示出的内部主转子12所包覆。轴13被安插在转子12中。同样地由励磁转子14和励磁定子15组成的励磁16也被固定在轴13上。

众所周知，转子和定子、励磁转子和励磁定子都需要有槽形来获得各自的绕组。如图1所示，槽形8是为了获得定子励磁绕组(未显示)，槽形9也是为了获得转子的励磁绕组(未显示)。为了便于组成主转子、定子和励磁定转子，散片被冲制成相同、相近或者不同的形状结构。

一副简易的线路图展示了主定转子和励磁定转子适用于前面图2所示的励磁机与主发电机分开的这一类发电机。这里，虚线框内简述了励磁机16被为获得瞬时电感装设的励磁电源(或者说是残余磁场)所包围。

图2所示为定子励磁绕组18，移动的磁场19(定转子之间的气隙)，转子励磁绕组20，主转子励磁绕组21，移动磁场22，主转子绕组线圈23，移动磁场24(定转子间的气隙)，主定子绕组线圈25，以及定子的输出电源26。主转子如虚线框12，主定子如虚线框11所示。

尤其是在美国，全处理钢应用于发电机中已有很多年的历史。然而，在美国，特别是具体操作和材料的发展，对于技术成熟的企业而言仍然很复杂。

行业惯例是依赖于传统的基本冷轧汽车薄板，即通过化学成分区分工业等级的，诸如，种类2,3,4(特性描述，不指化学成分，可能是从ASTM A726里发现的)。这些等级根据化学元素及成分占比的不同范围所分类：

作为传统CRML应用的此类常规电工钢遵循以下工序：

熔炉

排气(可选)和添加合金元素

铸造

热轧

酸洗

冷轧

退火(通常是箱式退火)

回火卷绕

开成条料并冲制成单片

组装成电机前的最终退火

这个工序的过程，利用以上提及的化学方法等的使用，生产出的所谓CRML冷轧钢具有较低的磁芯损耗和出色的磁导率性能，所有的这些成本都极具竞争力。

去杂质，这项技术中的关键，就是指在炼钢的过程中使用相同化学成分或等级的材料，随着冷轧和退火过程中一并去除。在冲压成散片之前这种除杂过程会产出完全等级的CRML钢材。在铁芯退火之后，其磁芯损耗会高于退火前，但是两者的磁导率没有明显变化。

然而，散片会有高磁损和低磁导率在为退火的情况下，但是也会有小部分的剩磁，可以根据He和Br特性来量化和定义。在之前的图3有说明。

图3所示的滞回曲线范例，或者说在不同条件下H(绕组电磁应用)和B(钢材的磁导性)。Br就是减少剩余磁性，H＝0；He就是当B＝0时，应用于如何克服其保磁性能。

因此，使用一种等级的传统CRML钢材是技术纯熟的工艺，钢厂可能会提供一种全硬状态。

定子散片，在冲压后退火的基础上会有优良的磁损性能和高磁导率特性。

转子散片，在冲压后未退火，应用在发电机转子绕组线圈中有充足剩磁激励。

在没有永磁体或瞬时电感的额外成本增加时，以上工艺过程的主要优点就是使用单一冲模或材料的情况下成本较低。然而其缺点是剩磁性较低，伴有衰减，并且定转子的耦合性没有全处理电工钢有效(由于全工艺钢的低磁导性)。

如文所述，由于主电机中添加有独立的励磁机的缘故，特别是就转子设计而言，还有许多传统的可替代全处理CRML钢的材料，包括被称之为高磁性级的用在特殊全硬钢等级的设计中。但是这样的劣势是按此设计方法的成本要高出全处理CRML钢很多，鉴于定转子需要使用不同的材料，也会伴有明显的报废成本。

由于使用化学方法制得的高硬度钢材，其更有隐性的缺陷是剩磁性，即低磁损和高磁导率无法兼得(诸如全处理CRML钢加以退火工艺的使用)。然而，相比于传统全处理CRML钢而言，使用化学法获得的硬钢矫磁性能更加出色。

按照惯例，对于矫磁的测量，在一个固定频率与固定磁感应等级下，用于测量不同等级的钢材的剩磁含量。结果，关于矫磁对于这种平衡的打破被用于测量不同等级钢材之间的剩磁性能。Aim单元将被用于矫磁的测试。

在退火和未退火的条件下，传统0.5mm的全处理CRML钢材的典型特性如图4所示；

图4所示为在退火(8200C)和未退火的条件下，0.5mm全处理CRML钢材的典型电磁特性。

在退火和未退火不同的状态下，图4清楚地显示了材料特性上主要的区别和变化。对于等级为800的冷轧电工钢而言，退火条件下的电磁特性表现为低磁损和高磁导性。而在未退火条件下的电磁特性则表现为高磁损和低磁导性。然而，矫磁和永磁则高度相关。

值得注意的是，当磁损取决于材料厚度时，对于不同等级的钢材，其矫磁性能则不取决于材料厚度。

就电和磁的特性而言，全处理CRML工艺钢和典型的高剩磁商业钢材的性能对比参见图表5。

图5显示的是全处理CRML工艺钢(0.5mm)和代表性的高剩磁商业钢材(1mm)之间的电与磁的特性对比。

从图表5中迅速得出的两个结论是：

1、传统的全处理CRML钢材的矫磁力要逊色于高剩磁的商业钢材；

2、退火后的全处理CRML钢材的磁损性能和磁导性优于退火后的高剩磁材料，此种钢材对于电效率要求高的情况不适用。

图表5的重要性在于其清楚地解释了对于传统的全处理CRML工艺钢的独特电磁性能的综合(退火过后具有低磁损和高磁导性，而未退火的情况下矫磁性能较好)，而传统的高剩磁钢材则不具备此综合性能。

到目前为止，前面所述还未发现如何提高全处理CRML型钢材的矫磁性能来解决其高剩磁性能，而不是仅仅依赖于对高剩磁型钢材的使用。这些等级钢材的劣势为成本高和较差的电磁性能。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，设计了一种具有独立的励磁组件，且所述的励磁组件的励磁转子和励磁定子由一套材质相同的电工钢冲片叠加而成，进一步的，对电工钢冲片的组份进行了改进，提高了硅在冷轧电工钢中的含量(CRES)，在全硬的条件下，和提高矫顽力类似，通过使用合金添加剂和处理的替代技术来得到较高的电磁性能。

本发明的技术方案如下:

一种发电机的励磁组件，所述的励磁组件由一个励磁转子和一个励磁定子组成，其特征在于：所述的励磁转子和励磁定子分别由一套材质相同的电工钢冲片叠加而成。

进一步的，所述的电工钢冲片至少包括以下重量比例的元素：

碳低于0.04％

锰0.15％至1.0％

磷0.005％至0.12％

硅大于0.60％

铝0.05％-1.0％；

其余为铁元素和杂质。

进一步的，所述的碳的重量比例在0.0008％至0.002％之间。

进一步的，所述的硅的重量比例大于0.08％。

进一步的，所述的硅的重量比例在0.08至1.60％之间。

一种制备权利要求1-5所述的发电机的励磁组件的工艺，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、将没有事先退火的全硬冷轧钢卷分切成至少一卷条料；

步骤2、冲裁至少一卷条料，生产出充足的励磁转子冲片和定子冲片；

步骤3、将励磁定子冲片和转子冲片分开，完成所需要的一套励磁转子和定子冲片；

步骤4、只所述的励磁转子冲片进行退火，并组装成励磁转子；定子冲片组装完成所述的励磁定子。

进一步的，所述的全硬冷轧钢卷在冷轧之前经过热轧退火处理。

进一步的，所述的全硬冷轧钢卷在分切之间经过回火处理。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

本发明所述的励磁组件由一个励磁转子和一个励磁定子组成。高的矫顽力是因为提高了硅在冷轧电工钢中的含量(CRES)，在全硬的条件下，和提高矫顽力类似，通过使用合金添加剂和处理的替代技术来得到较高的电磁性能。然而，提高硅含量的冷轧电工钢最主要优点是在全硬的条件下可以获得独特的性能，高矫顽力和低铁损和高磁导率，通过使用改进的CRES材料不退火条件励磁机定子组件和退火条件下励磁机转子组件的发电机，这种独特的特性导致提高了效率同时降低了成本，为小型的励磁电机和备用发电机节约原材料。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1现有发电机和励磁机的透视图；

图2现有发电机和励磁机的接线原理；

图3为现有工艺的磁滞曲线图；

图4高硬度的CRML钢材在退火和不退火条件下的典型值参数表；

图5高硬度的CRML钢材和典型高性能的钢材的电磁性能参数比较表；

图6典型方法的流程图；

图7CRML钢材和高性能钢在退火前和退火后的参数比较表，根在高硬度典型条件下与改进冷轧电工钢比较；

图8高硅含量的半处理钢材和全处理钢材在高硬度条件下，根据典型参数表测量退火前与退火后的综合性能表。

具体实施方式

为了更好的理解，现在会同时用典型事例、最佳阐述和特定的语言来描述。它依然能不受范围限制的被理解,这样的改变和更深层次的修改将在举例说明中体现，进一步的应用通常包括一个熟练的工艺方法。

一个典型体现的方法是通过提高硅在冷轧电工钢中的含量(CRES)，同时用半处理和全处理比较，可能能得到更高的电磁性能，按矫顽力以前的标准测量(He)常规的半处理冷轧电工钢(CRML)等级的矫顽力。在设计某些小型的励磁电机和备用发电机中此属性是重要的性能参数。

首先，本发明公开了一种发电机的励磁组件，所述的励磁组件由一个励磁转子和一个励磁定子组成，其特征在于：所述的励磁转子和励磁定子分别由一套材质相同的电工钢冲片叠加而成。

碳低于0.04％

锰0.15％至1.0％

磷0.005％至0.12％

硅大于0.60％

铝0.05％-1.0％；

其余为铁元素和杂质。

硅含量是现有提高矫顽力的主要控制点。标准的冷轧电工钢(CRES)增加硅含量是要通过退火，(在ASTM A726和ASTM 683文件中定义为半处理钢)不退火条件(在ASTM A677定义为全处理钢)。全硬的条件下使用这些材料，明确在发电机应用中要专门控制矫顽力，然而以前没有怎么做。

如上所述，矫顽力的改善可同时在半处理和全处理电工钢中使用或者全硬的条件下实践，钢厂退火的做法。标准是硅含量增加，如上所述，应大于0.60％。

硅含量较高的半处理电工钢CRML的磁性能和完全处理电工钢的硅含量大约是相同的，在不退火和退火的条件下。使用全处理电工钢并在全硬的条件下，发电机应用中专门控制矫顽力(He)，这些以前没有用过。

进一步的，所述的碳的重量比例在0.0008％至0.002％之间。

进一步的，所述的硅的重量比例大于0.08％。

进一步的，所述的硅的重量比例在0.08至1.60％之间。

综合以上(1)、(2)和(3)点，不是一个独有组件，钢厂减少大于75％是首选，而常规半处理电工钢CRML和全处理电工钢都是减少大于70％，但最大是75％。

硅含量在0.60％以上的钢材等级的事例和性能的比较及加工方法如图表7所示。

图7显示比较退火之前后的磁性能钢材(CRML-FH(0.50毫米)和高磁导率钢材(1.0mm)与新的改进的冷轧电工钢(0.50毫米)在全硬条件下典型值体现。

如图7所示，矫顽力的值显著高于(610Aim)(Aim表示安培每米)改进后的的冷轧电工钢(CRES)相比以前的常规半处理钢CRML矫顽力值(545Aim)高。图7也清楚地表明较高的矫顽力的铁损(在不退火条件下)显著低于常规CRML FH的磁芯损耗。

传统的CRML-FH材料，是CRES材料基础上提升了的铁损和磁导率，退火后，等于或优于全处理600级的钢材(最大损耗6.00瓦/公斤)而常规CRML FH的铁损和磁导率只能达到那些全处理800级的材料(最大损耗8.0瓦特/千克)

如前文所述矫顽力和厚度无关，而铁损是取决于厚度的。使用硅含量较高的改进的半处理钢材CRML，在退火和不退火条件下，不同的厚度的属性的组合如图8中所示。

图8的目的是为了说明退火后的材料CRES在改进矫顽力值后可以获得良好的磁性能，且与厚度无关。退火后的铁损值，基于使用全硬条件下处理过程，其铁损略高于常规处理的钢材，与厚度有关。这适用于半处理和全处理等级钢材。

进一步的，本发明中的改进的冷轧电工钢(CRES)涵盖的元素，如下所述︰

碳0.002％至0.015％(称为超低碳(ULC))

锰.15％至1.0％

磷0.005％至0.12％

硅大于0.60％

铝0.05％至1.0％

可选方法在一些实践中锡或锑增加到最大0.08％

铁传统中的杂质正常炼钢做法为硅铁的平衡

硅含量优先考虑范围是从0.80％至1.60％。

进一步的，如图6所示的一种制备权利要求1-5所述的发电机的励磁组件的工艺，其特征在于：包括以下步骤：

进一步的，所述的全硬冷轧钢卷在分切之间经过回火处理。

传统工艺用硬钢来做转子，特别是作为单独的励磁机模块中的转子组件，是使用适当的全处理电工钢转子，同时使用硬钢做定子(在励磁机)。未来的做法，要减少废品，如前所述，使用硬钢做定转子。半处理或全处理的电工钢的最大优点是获得较高的硅含量，具体如下

在不退火条件下用这种等级的钢做的励磁机定子矫顽力较高

励磁转子的高磁导率和低铁损，使用这种等级的钢材在退火后会导致转子低发热,励磁绕组得到更高的电流.结合以上可以降低成本，包括减少转子质量和引进更可靠的转子励磁机设计.从实用的角度来看，在化学成分不变或不需要额外的处理成本条件下，常规的半处理和全处理钢卷可能需要调整生产工艺来得到更高矫顽力的钢材。

虽然之前已经在典型事例、图纸和前面的规范中阐述了相关参数，他们被看作纯粹典型值而且没有限制。需要指出它仅体现了典型值和描述，不管是现在或将来所有的变更都应该受到保护。

Claims

1.一种发电机的励磁组件，所述的励磁组件由一个励磁转子和一个励磁定子组成，其特征在于：所述的励磁转子和励磁定子分别由一套材质相同的电工钢冲片叠加而成。

2.根据权利要求1所述的一种发电机的励磁组件，其特征在于：所述的电工钢冲片至少包括以下重量比例的元素：

碳低于 0.04％

锰 0.15％至1.0％

磷 0.005％至0.12％

硅大于 0.60％

铝 0.05％-1.0％；

其余为铁元素和杂质。

3.根据权利要求2所述的一种发电机的励磁组件，其特征在于：所述的碳的重量比例在0.0008％至0.002％之间。

4.根据权利要求2所述的一种发电机的励磁组件，其特征在于：所述的硅的重量比例大于0.08％。

5.根据权利要求4所述的一种发电机的励磁组件，其特征在于：所述的硅的重量比例在0.08至1.60％之间。

6.一种制备权利要求1-5所述的发电机的励磁组件的工艺，其特征在于：包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备发电机的励磁组件的工艺，其特征在于：所述的全硬冷轧钢卷在冷轧之前经过热轧退火处理。

8.根据权利要求6所述的制备发电机的励磁组件的工艺，其特征在于：所述的全硬冷轧钢卷在分切之前经过回火处理。