取向电工钢：硅钢片知识点

文章目录

• 一、电工钢为什么选硅钢
• 二、为什么要用硅钢“片”
• 三、为什么电机用无取向，变压器用有取向硅钢片
• 四、其他关于硅钢片应该了解的
• • 4.1 热轧和冷轧
  • 4.2 厚度
  • 4.3 牌号
  • 4.4 叠片系数
  • 4.5 冲片性

一、电工钢为什么选硅钢

电机和变压器的内部主要组成是铜绕组，绕组通以电流，会产生磁场。空气的磁导率很低，导磁回路导磁回路采用一些高导磁材料作为电机定转子和变压器的铁芯。

二、为什么要用硅钢“片”

假设一整块铁芯中的磁感应强度为B，由法拉第感应定律，产生的感应电势为 E E E，产生的涡流损耗为 P = E 2 / R P=E^2/R P=E2/R， 其中 R R R为铁芯的电阻。

如果按下右图，在垂直磁场的方向，将铁芯分成N片，而且每片之间进行电气绝缘，那么每片的面积为原来的 1 / N 1/N 1/N，则产生的感应电势为 E / N E/N E/N。每片铁芯沿涡流方向，横截面积减小到了原来的 1 / N 1/N 1/N，所以按照电阻公式，每片的电阻增大到原来的 N N N倍（忽略长度的变化哈）。
R = ρ L S R=\rho \frac{L}{S} R=ρSL​
那么每片铁芯涡流损耗为：
( E N ) 2 N R \frac{(\frac{E}{N})^2}{NR} NR(NE​)2​
N片铁芯的总损耗为
N ( E N ) 2 N R = P N 2 N \frac{(\frac{E}{N})^2}{NR} =\frac{P}{ N^2} NNR(NE​)2​=N2P​

三、为什么电机用无取向，变压器用有取向硅钢片

硅钢片分配有取向和无取向，两者得区别是：

基本可以认为有取向硅钢片，性能上比无取向硅钢片更好。我思考的问题是，为啥变压器的铁芯就能用有取向硅钢片，而电机的确只能用无取向的呢？
开始我怀疑是成本问题，但变压器对成本也很敏感，所以肯定是技术问题。
在一篇论文里找到了如下的描述，解答了我的疑惑：

通常用于生产电机和变压器的电工钢片互不相同，二者呈现不同的电磁特性，由于电机定子内部磁场方向变化复杂，在电机转轴切平面内随着电机本身的旋转以及供电电流的正交变化，铁心内部磁场既随空间变化又存在时变量，磁场存在旋转磁化，材料一般选取无取向冷轧硅钢片叠压。然而变压器内部磁场通常方向单一，除 T 型连接处及磁场转角处，磁力线基本沿铁心延伸方向随时间正弦波形式交叉，取向硅钢片在单一方向上导磁性能优异的特点正符合这样的需求。
无取向硅钢片的各向导磁性能差异非常小，通常认为不存在方向性差异。磁感应强度通常可以达到 1.6T。而取向硅钢片的导磁性能与此不同，合金中晶粒取向的一致性使这个方向上呈现出优异的磁化性能，轧制方向上磁感应强度饱和工作点通常在1.8T 以上。导磁率矢量最高的值指向性较强，而垂直与该方向上的导磁性能勉强只能达到 1.5T，性能差别接近 30%。这种各向异性的特点使这种材料多用于定向磁场形式。从这个角度来说，取向硅钢材料不适合用在电机上。因此这种又被称为变压器钢片的取向材料原本普遍用于定向性磁场的电器设备，在旋转磁场为主的电机中鲜有应用。

说人话，就是变压器是静态时变的，其磁场方向是固定的，而电机内部磁场方向存在空间变化和时间变化，磁场方向不是固定的。学过电机学就知道，其磁场角度随运行工况会发生变化，比如肯定不是固定在D轴吧。有取向硅钢片在轧制方向性能好，在非轧制方向就很拉胯，当然不适合用在电机上了。

四、其他关于硅钢片应该了解的

4.1 热轧和冷轧

硅钢片可以通过热轧或冷轧得到，但热轧耗能严重，污染环境，而且性能没有冷轧好，现在基本都冷轧。

4.2 厚度

电机常用都是0.35mm，0.5mm

4.3 牌号

厚度值的100倍+铁损的100倍（在频率为50HZ，波形为正弦的磁感峰值为1.5T的单位重量铁损值）。 如50W470，表示铁损值为4.7w/kg，厚度为0.5mm的冷轧无取向硅钢。
高牌号是指铁损低，低牌号是铁损值高。

4.4 叠片系数

叠片系数反应的是电机和变压器铁心单位体积内有效铁心所占的体积，叠片系数除了与钢板厚度和涂层厚度有关外，重要是和板形有关，即在电机和变压器单位体积内，除了铁心（有效部分），还有涂层和空气隙，叠片系数越大越好，无取向电工钢一般可以达到98%以上，取向硅钢一般可以达到97%以上。

4.5 冲片性

电工钢大量应用于制造电机，电机都是需要冲片的，无取向电工钢一般在冲片毛刺大于50um的时候需要修模，两次修模之间的冲片次数来衡量电工钢材料的冲片性能，即好的涂层应该是尽量多冲裁次数，少修模，冲片性与材料的力学性能有关，也与涂层种类有关，如无取向电工钢A涂层的冲片次数大约是100万次。