CN101816115A - 磁芯以及将磁芯用于电机 - Google Patents

Abstract

描述了一种磁芯，其包括一叠具有已知的优选磁导率方向的电工钢片。在该叠电工钢片中，连续的单个钢片以及另外或可选的连续钢片组的优选磁导率方向之间相差一预定的位移角。还描述了磁芯的应用。

Description

磁芯以及将磁芯用于电机

技术领域

本发明涉及一种磁芯，其包括一叠具有已知的优选磁导率方向的电工钢片。而且，公开了一种制造磁芯的技术，该磁芯包括晶粒取向片，以便提高其磁芯处于可变磁场的交流电机的能量效率。

背景技术

多种电机通常都包括基本上由电工钢制成的磁芯(以下称为“MC”)。当然，基本上构成磁芯的电工钢的特性影响着电机的各种特性。特别地，可以将晶粒取向电工钢用于磁芯。

图1(a)所示的晶粒取向电工钢(以下称为“GO”)的微结构显示出这些晶粒与它们平行于轧制方向(以下称为“RD”)的<001>晶向对齐，并且横向与晶粒的<110>晶向平行。

角度α₁可以被定义为RD和钢片的每个晶粒的方向<001>之间的差值。在图1(b)中示意出了这个角度。如果磁通量(flux)沿着RD取向，则该角度越接近零，磁性将越好。

图2示出了含硅3％的钢的单晶体的磁性特征。针对类似于在P.Brissonneau“Magnétisme et matériaux magnétiques”所示的由密勒指数表示的三个晶向：<001>易磁化轴、<111>难磁化轴和<110>次易磁化轴，绘制出了单位为特斯拉(T)的磁通密度J与单位为千安每米的磁场强度H之间的关系曲线。

如果工业制造的GO钢片和钢条用作单晶体，则可以发现易磁化轴接近RD。从而，会发现对应于<111>晶轴的难磁化轴与RD之间形成的角接近54.74°，其中<111>晶轴与<001>轴形成的角为54.74°从而构成了立方晶体(见图3)。

通过在不同扇区(sector)中使用切片，GO等级已被用于高功率旋转电机(定子直径大于1m)。图4示出了使用该设计的这种电机的MC的一部分。可以用GO来制造这些扇形(segment)，使得RD实际上与齿轴对齐。可以看出，处于最高磁通密度的齿中的磁通量角度为α₂，该角度被定义为磁通密度的方向和与该齿的晶粒的密勒指数为<001>的晶轴给出的方向相对应的RD(接近于0)之间的角度。这与扇形铁芯不同，在扇形铁芯中，α₂大概等于90°，而在其他区域，α₂根据磁场定向(flux orientation)的变化而发生变化。

为了示出该组件的问题，考虑了用GO制备的环形的MC。在图5中示出的该环形MC由该附图中示出的线圈组来激励。该MC处于特征为α持续变化的单向磁场中。在本文中，单向表示其定向(顺时针或逆时针)在MC中不变。

在第一种近似中，可以用RD表征6个区域中的磁芯，这6个区域能够以两个为一对来进行关联，如图6所示。在z₂区域中，可以认为同样被定义为磁通密度的方向和与晶粒的密勒指数为<001>的晶轴给出的方向相对应的RD之间的角度的角度α₂是零。对于区域z₁和z₃，可以认为角度α₂等于60°(根据空间周期性，α₂＝120°类似于α₂＝60°)。由于不同的区域覆盖同一角度，所以仅仅由于α₂，能量性能下降将是显著的，其中α₂沿着整个磁通量通路必须取所有可能的值。

随着由于损耗而导致的能量耗散增大，电机的能量效率在整体上将下降。

因此，可以发现在单向磁场和环形磁芯的情况下，出现了很多问题。

上面提到的交流旋转电机的旋转磁场具有相同的趋势。

发明内容

本发明所要解决的问题是设计一种具有更好能量性能的磁芯。而且，将给出这种磁芯的有利应用。

根据本发明，该问题由具有权利要求的特征的一种所述磁芯以及包括权利要求8的磁芯的所述应用来解决。

根据本发明，公开了一种磁芯，其包括一叠具有已知的优选磁导率方向的电工钢片。在该叠电工钢片中，连续的单个钢片的优选磁导率方向之间相差一预定的位移角。另外或者可选地，该叠电工钢片中的连续的钢片组的优选磁导率方向之间相差一预定的位移角。

而且，根据本发明，描述了一种包括一叠具有已知的优选磁导率方向的电工钢片的磁芯，其作为旋转电机的定子以及另外或者可选地作为旋转电机的转子，其中，在该叠电工钢片中，连续的单个钢片的优选磁导率方向之间相差一预定的位移角。另外或者可选地，该叠电工钢片中的连续钢片组的优选磁导率方向之间相差一预定的位移角。

另外，描述了一种用于旋转电机的磁芯的组装方法，该方法包括对具有已知的优选磁导率方向的电工钢片进行堆叠。该叠电工钢片中的连续的单个钢片的优选磁导率方向之间相差一预定的位移角。另外或者可选地，该叠电工钢片中的连续钢片组的优选磁导率方向之间相差一预定的位移角。

可以在任意方向上堆叠钢片。堆叠的钢片可以重叠或者可以不重叠。优选磁导率方向可以是磁导率处于相对最大值的方向。优选磁导率方向可以是相对于钢片的轧制方向的立体角。每组钢片均可以包括相同数量的单个钢片。每组钢片也可以包括不同数量的单个钢片。

根据最小磁阻原理，连续的单个钢片之间以及另外或可选地连续的钢片组之间的优选磁导率方向相差一预定的位移角允许磁通量从一个钢片跳(jump)到另一个钢片，从而能够沿着磁通量通路实现较高的磁化强度。

以下给出了该磁芯的优选实施例。

根据本发明的示例实施例，磁芯的一叠电工钢板由晶粒取向电工钢片构成。其技术效果是能够容易地制造具有优选磁导率方向的电工钢片。

在本发明的示例实施例中，每对连续的单个钢片或者每对连续的钢片组之间具有相同的位移角。每对连续的单个钢片或者每对连续的钢片组之间的位移角可以介于0度和180度之间。每对连续的单个钢片或者每对连续的钢片组之间具有相同的位移角可以实现以下技术效果：沿着磁通路径，能够提供磁化强度的对称分布，从而能够提供局部效率的对称分布。

根据本发明的示例实施例，电工钢片中的优选磁导率方向实质上平行于各个钢片的轧制方向。这能够实现的技术效果是：能够基于制造工艺的参数容易地确定优选磁导率方向。

在本发明的示例实施例中，位移角介于50°和70°之间，尤其介于55°和65之间°，特别是接近60°。这能够实现的技术效果是：紧邻具有相对最大的相对磁导率的单个钢片或钢片组的是具有相对最小的相对磁导率的单个钢片或钢片组，从而允许磁通量连续地流经具有较高的相对磁导率的区域。60°的位移角特别适于三相电机。

根据本发明的示例实施例，单独钢片厚度处于500微米到230微米的范围内。这能够实现的技术效果是：降低涡流导致的能量耗散，并且使得磁通从一个电工钢片更容易“跳”至下一个电工钢片。

在本发明的示例实施例中，当置于800安培每米的磁场强度中，单个钢片的磁通密度B_800A/m大于1.85特斯拉。这能够实现的技术效果是：确保了高饱和磁通密度，从而降低磁芯中的耗散损耗。

根据本发明的示例实施例，描述了磁芯的应用，其中定子的两个连续齿之间的角度是位移角的整除数。这能够实现的技术效果是：确保了每个齿的最佳磁通量，从而整体上改善了定子的能量效率。

在本发明的示例实施例中，描述了将磁芯用于构建变压器的应用。这能够实现的技术效果是：改善了变压器的效率。

根据本发明的示例实施例，描述了一种用于旋转电机的磁芯的组装方法，该方法包括：标记电工钢片的轧制方向；冲压或激光切割电工钢片。连续的单个钢片或连续的钢片组的优选磁导率方向之间的预定位移角接近该轧制方向和与密勒指数为<111>的晶轴的相对应的方向之间的角度，在立方晶体中，密勒指数为<111>的晶轴与<001>晶轴之间的角度是54.74度。这能够实现的技术效果是：在组装磁芯的过程中能够更容易地定向电工钢片。

附图说明

图1是示例性的GO电工钢片的微结构的视图；

图2是含硅3％的钢的单晶体的磁通密度变化和磁场强度之间的关系的示例视图；

图3是示例性的立方晶体的角度和晶轴之间的关系的视图；

图4是根据现有技术的在不同扇区中使用切割的钢片的示例性旋转电机的视图；

图5是根据现有技术的具有GO并且被线圈激励的环形MC的视图；

图6是根据现有技术的具有GO和磁通量的MC的横截面的视图；

图7是以与RD不同的角度从GO切下的Epstein条的视图；

图8是针对Epstein条的磁通密度和所施加的磁场强度之间的关系的视图；

图9是饱和磁通密度与磁场方向和轧制方向之间的角度之间的关系的视图；

图10是最大相对磁导率与磁场方向和轧制方向之间的角度之间的关系的视图；

图11是针对磁场方向与轧制方向之间的不同角度的铁功率耗散损耗与磁通密度之间的关系的视图；

图12是根据现有技术的对应于组件GO 00°的示例性的没有位移的一叠GO钢片；

图13是根据本发明的示例实施例的在两个连续的GO钢片之间位移了60°角的一叠GO钢片的视图；

图14是针对示例性的没有位移的一叠GO钢片和根据本发明的示例实施例的具有位移的一叠GO钢片的磁化电流分量与所施加的电压之间的关系的视图；

图15是针对示例性的没有位移的一叠GO钢片和根据本发明的示例实施例的具有位移的一叠GO钢片的磁通密度与所施加的电压之间的关系的视图；

图16是针对示例性的没有位移的一叠GO钢片和根据本发明的示例实施例的具有位移的一叠GO钢片的铁功率耗散损耗和所施加的电压之间的关系的视图；

图17是针对示例性的一叠NO钢片、针对示例性的没有位移的一叠GO钢片和根据本发明的示例实施例的具有位移的一叠GO钢片的磁化电流分量与所施加的电压之间的关系的视图；

图18是针对示例性的一叠NO钢片、针对示例性的没有位移的一叠GO钢片和根据本发明的示例实施例的具有位移的一叠GO钢片的铁功率耗散损耗和所施加的电压之间的关系的视图；

图19是针对示例性的一叠NO钢片、针对示例性的没有位移的一叠GO钢片和根据本发明的示例实施例的具有位移的一叠GO钢片的磁化电流的视图；

图20是针对示例性的一叠NO钢片、针对示例性的没有位移的一叠GO钢片和根据本发明的示例实施例的具有位移的一叠GO钢片的铁功率耗散损耗的视图；

图21是针对示例性的没有位移的一叠GO钢片和根据本发明的示例实施例的具有位移的一叠GO钢片的磁化电流时间向量的视图。

具体实施方式

为了检查实际GO钢片和钢条是否表现出单晶体磁性性能，对以如图7所示的与RD成不同的角度α₃来切割的Epstein钢条进行实验。所使用的GO材料等级是Powercore C140-35，其已经在Epstein方圈中在50Hz处进行了测试。其操作工艺由以下步骤组成：对这些钢条制成的MC进行去磁化，然后在高达800A/m最大磁场的变化磁场强度范围中进行一系列回线(loop)。注意，在Epstein钢条中，磁通量方向主要沿着α₃。

在图8中，绘制出了单位为特斯拉的最大磁通密度值B与所施加的最大磁场强度H之间的关系。从每个B(H)回线导出B和H值。

针对磁场方向与轧制方向之间的角度(0°、55°和90°)的结果显示出与图2所示的相似形状：

-α₃＝0°类似于<001>晶向，

-α₃＝90°类似于<110>晶向，

-α₃＝55°类似于<111>晶向。

因此，GO材料的磁晶各向异性类似于含硅3％的钢单晶体。

对于α₃＝0，对应于磁场方向与RD平行，这些性能由以下因素导致：

-高的饱和磁通密度水平B_sat，

-非常高的最大相对磁导率μ_rmax。

相对磁导率μ_r由最大磁通量密度B_max(H_max)曲线导出，μ_rmax是相对磁导率μ_r与最大磁场强度H_max之间的关系曲线的最高值。

从附图9-12可以看出，当α₃偏离零时，所有这些性能都将退化，图9-12示出：

-饱和磁通密度B_sat(T)随α₃的变化(图9)

-最大相对磁导率μ_rmax随α₃的变化(图10)

-针对不同α₃的铁功率耗散损耗(W/kg)随磁通密度B(T)的变化(图11)。

针对α₃＝0所获得的减小的铁功率耗散损耗由非常窄的磁滞回线引起。

最临界的情况对应于α₃＝55°。该角度有点符合54.74°，其中54.74°是与最小相对磁导率方向相对应的难磁化轴<111>和单晶体中对应于RD的<001>轴之间的角度。因此，在考虑了磁晶各向异性的情况下，可以使用这些性能来构建由GO钢片堆叠构成的MC。

环面由堆积的环形钢片构成，以构建用于接收由n＝5转(线截面等于1.5mm²)制成的线圈。这些电绝缘的钢片直径D为10cm，并且平行于其轴以1.6cm的直径d进行钻孔。

MC其两端被两个卡爪夹紧。对于每个被测试的定型，其长度L等于6.7cm。因此，可以假设压挤该组件的压力与对每个原型施加的压力相同。

已经测试和比较了两个不同的组装情况：如图12所示的没有位移的一叠GO钢片(组件GO 00°)，以及两个连续的钢片之间具有60°的角度位移的一叠GO钢片(组件GO 60°)(见图13)。

采用图10示出的原型来进行实验。每个MC由印有Powercore C140-35电工钢等级的200张0.35mm厚的GO钢片构建。其目的是比较GO 60°和GO 00°组件性能：

-图14中的曲线给出了针对两种所述结构的有效I_μa和无效I_μr磁化电流I_μ分量随着所施加的电压V的变化。可以看出，对于给定的V，因此大约对于给定的磁通密度B，组件GO 60°，尤其有关I_μr的组件GO 60°，需要较低的电流分量。

-当V从0V变为5V时，针对两种结构所推导出的磁通密度B随V的变化示出了曲线特性实际上被合并，并且示出了组件GO 00°的曲线特性从V＝0V的0T到V＝5V的1.556T(组件GO 60°的1.572T)呈线性变化。表示V＝2V附近的磁通密度B(V)的放大图的图15突出显示了对于给定的V，组件GO 60°表现出较高的磁通密度B，虽然无效磁化电流分量较低(该特性主要是由于对于组件GO 60°来说其线圈电阻电压降较低导致的)。对于V＝4.5V的有效相对磁导率μr的计算给出了：对于组件GO 00°，μ_r＝2680；对于组件GO 60°，μ_r＝18810，这是令人关注的差异。重新参照附图10，可以看出18810接近分别从α₃＝0°和α₃＝55°获得的平均相对磁导率值20000。

-图16表示铁功率耗散损耗P_μ随V²的变化。可以看出，GO 60°导致了较弱的铁损耗。还可以看出，在V²＝20VV(V＝4.5V)之前，这些损耗作为V²的函数以明显的线性方式进展。该值V＝4.5V与图14中示出的I_μa变化一致(V＝4.5V以上该电流分量增长较快)。因此，可以断定对于V＞4.5V来说饱和开始显著地影响MC性能(B＞1.42T)。可以注意到，该磁通密度饱和程度大概对应于可以从图8中分别针对α₃＝0°和α₃＝55°所示的曲线B(H)推导出的量的平均值。

这些基本的考虑很好地示出了磁通量可以说沿着最小磁阻路经从一个钢片穿到下一个钢片或从一个钢片跳到下一个钢片。与对齐的结构(GO 00°)相比，该特性将使得结构GO 60°在相同供电电压下的较少铁功率耗散损耗以及较低磁化电流，这将间接地导致线圈电阻的较少铜损耗。

在这些条件下，似乎还可以看出，对于给定的V，GO 60°的峰值磁通密度高于GO 00°的峰值磁通密度。从经济角度来看，由于组装有位移的GO 60°钢片需要更多的工本，所以人工成本较高。然而，当考虑电气装置的能量效率的提高时，给定B的功率耗散损耗(铁+铜)的增益使得该技术是有价值的。已经示出了GO 60°结构相比对齐结构的GO 00°的良好性能，以下将采用非取向钢片(以下称为“NO”)进行比较。

GO是前一段引用的GO。关于NO，存在两个等级：

-TO 400-50AP(在50Hz和1.5T时铁功率耗散损耗4W/kg，厚度：0.5mm)

--TO H-M 600-50(在50Hz和1.5T时铁功率耗散损耗6W/kg，厚度：0.5mm)。

不需要任何特别措施来叠加NO(宽松组装)。以此方式组装的装置将标有参考标号NO 400-50和NO 600-50。

需要指出，为了具有相同体积的铁，采用NO的MC将由140片钢片制成。

图16的曲线给出了电流i_μ随V的变化。图17的曲线示出了铁功率耗散损耗P_μ随V的变化。这些铁功率耗散损耗包括涡流损耗和磁滞损耗。很难从示出0.5mm厚的NO比0.35mm厚的GO带来更多损耗的这些曲线中得出结论，这是因为已知涡流损耗是钢片厚度平方的函数。因此，涡流损耗是0.35mm厚的GO以及0.5mm厚的NO的两倍。针对0.35mm厚度的曲线低于针对0.5mm厚度的曲线看起来是先验逻辑。

为了进行适当的比较，建议在理论上从0.5mm NO的曲线转变到保持同样铁体积具有同样金属构造的0.35mm厚度的钢片中的功率耗散损耗。为了进行这种转变，只需要参照所提到的对于NO，在50Hz处，涡流损耗仅为总铁损耗的1/8处的描述。因此，易于校正从0.5mm厚度的NO获得的曲线。如果考虑稍微不好的情况(涡流损耗是总损耗的1/5)，则可以获得给出标示为NO 400-35和NO 600-35的功率耗散损耗P′μ随V的变化的校正曲线(见图18)。注意，P′_μ由P_μ通过以下关系式导出：

${P^{\&prime;}}_{\mathrm{\&mu;}}=P_{\mathrm{\&mu;}}[\frac{4}{5}+\frac{1}{5}{\left(\frac{0.35}{0.50}\right)}^2]$

考虑有关涡流损耗影响所进行的论述，结果曲线非常接近原始曲线。

注意，对于同样厚度的钢片，无论什么组装技术，GO表现出的铁功率耗散损耗都比NO低得多(对于NO 400-35来说，比率接近于2)。

以NO的铁功率耗散损耗的尺度来看，GO 60°的铁功率耗散损耗不比GO 00°低很多。

实际上，在磁化电流上更能明显地表现出位移所带来的优势(图17的曲线)。针对V＝3V(B＝大约1T，这意味着MC的某些部分处于很高的磁通密度，尤其是GO)给出的图19和20中的曲线示出了这种特性(考虑了对铁功率耗散损耗进行的校正后从I_μ值导出针对结构NO 400-35和NO 600-35的电流I′_μ，这些经校正的值非常接近初始值)。当MC达到重要的饱和程度时，该电流特性消失(对照图17)，但是保持令人非常满意的铁功率耗散损耗的性能。

图21中的图表表示V＝3V时的结构GO 00°和GO 60°的磁化电流时间相量I _μ。注意，对于GO 60°，该电流不仅降低，而且I _μ和其有效分量I _μa之间的角度的降低增大了功率因子cos(

)。这还进一步降低磁化电流所感应的栅路的电压降。

总之，有利的是采用GO来制备MC，这是因为铁损耗和磁化电流得到了显著的降低。

通过显著地降低磁化电流，GO 60°组件相对于对齐的组件GO 00°来说能带来更小的铁功率耗散损耗。这种降低主要作用于分量I_μr，这可以表示为：μ_r GO 60°＞＞μ_r GO 00°。甚至在MC中的高磁通密度的情况下，I_μr的这种显著降低也能导致功率因子的显著增大。电流降低以及功率因子增大的双重效果对于栅格供电电压降具有非常有益的效果，这表现出了巨大的经济利益。注意，所提出的不需要特定切割的组件不需要额外附加的人工成本；因此，其尤其适于制造应用领域非常广泛的低功率交流旋转电机。

注意，由于该组件GO 60°能给环面型(torus-type)装置带来有益性能，所以尤其是当目的是对一个给定效果做出响应时，其他对齐(除了0之外的所有其他位移角)对于某些电气装置也是有价值的。

Claims (10)

1.一种磁芯，包括一叠具有已知的优选磁导率方向的电工钢片，其特征在于，在该叠电工钢片中，连续的单个钢片或连续的钢片组的优选磁导率方向之间相差一预定的位移角。

2.根据权利要求1所述的磁芯，其特征在于，该磁芯的一叠电工钢片由晶粒取向电工钢片制成。

3.根据权利要求1或2所述的磁芯，其特征在于，每对连续的单个钢片或者每对连续的钢片组之间的位移角相同。

4.根据权利要求1或3中的任意一项所述的磁芯，其特征在于，电工钢片的优选磁导率方向实质上平行于各个钢片的轧制方向。

5.根据权利要求1-4中的任意一项所述的磁芯，其特征在于，所述位移角介于50°和70°之间。

6.根据权利要求1-5中的任意一项所述的磁芯，其特征在于，单独钢片的厚度处于500μm至230μm范围内。

7.根据权利要求1-6中的任意一项所述的磁芯，其特征在于，当单个钢片暴露于800安培每米的磁场强度H时具有大于1.85特斯拉的磁通密度B_800A/m。

8.将根据权利要求1-7中的任意一项所述的磁芯用作旋转电机的定子和/或转子。

9.根据权利要求8所述的磁芯应用，其特征在于，所述定子的两个连续齿之间的角度是位移角的整除数。

10.将根据权利要求1-7中的任意一项所述的磁芯用于构造变压器。

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