导磁槽楔
F889 导磁槽楔(4张)
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[２]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；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，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）效率提高1.26%，温升降低约6摄氏度。
顾德军和顾卫东[８]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[９]使用磁性槽楔来降低电机温升。他们在对两台电机测试时发现电机温升偏高，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，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。