Wie man den Eisenverlust im Motor reduziert

Faktoren, die den Eisenkonsum beeinflussen

Um ein Problem zu analysieren, benötigen wir zunächst einige grundlegende Theorien, die uns zum Verständnis verhelfen. Zunächst müssen wir zwei Konzepte verstehen: die Wechselmagnetisierung, die vereinfacht gesagt im Eisenkern eines Transformators und in den Stator- oder Rotorzähnen eines Motors auftritt, und die Rotationsmagnetisierung, die durch das Stator- oder Rotorjoch des Motors erzeugt wird. Zahlreiche Artikel gehen von diesen beiden Punkten aus und berechnen die Eisenverluste des Motors anhand verschiedener Kenngrößen gemäß der oben beschriebenen Lösungsmethode. Experimente haben gezeigt, dass Siliziumstahlbleche unter Magnetisierung mit diesen beiden Eigenschaften folgende Phänomene aufweisen:
Bei einer magnetischen Flussdichte unter 1,7 Tesla ist der Hystereseverlust durch Drehmagnetisierung größer als der durch Wechselmagnetisierung; bei Werten über 1,7 Tesla verhält es sich umgekehrt. Die magnetische Flussdichte des Motorjochs liegt üblicherweise zwischen 1,0 und 1,5 Tesla, und der entsprechende Hystereseverlust durch Drehmagnetisierung ist etwa 45 bis 65 % höher als der Hystereseverlust durch Wechselmagnetisierung.
Die oben genannten Schlussfolgerungen werden natürlich auch verwendet, ich habe sie jedoch nicht persönlich in der Praxis überprüft. Ändert sich das Magnetfeld im Eisenkern, wird darin ein Strom induziert, der als Wirbelstrom bezeichnet wird. Die dadurch verursachten Verluste werden als Wirbelstromverluste bezeichnet. Um diese Wirbelstromverluste zu reduzieren, wird der Motorkern üblicherweise nicht als einteiliger Block gefertigt, sondern axial mit isolierenden Stahlblechen ummantelt, um den Wirbelstromfluss zu behindern. Die genaue Berechnungsformel für den Eisenverbrauch wird hier nicht weiter erläutert. Die grundlegende Formel und die Bedeutung der Eisenverbrauchsberechnung von Baidu werden dadurch deutlich. Im Folgenden werden einige Schlüsselfaktoren analysiert, die unseren Eisenverbrauch beeinflussen, sodass jeder die Problematik in praktischen technischen Anwendungen nachvollziehen kann.

Nach der obigen Diskussion stellt sich die Frage, warum die Stanzfertigung den Eisenverbrauch beeinflusst. Die Eigenschaften des Stanzprozesses hängen maßgeblich von der Form der Stanzmaschinen ab und bestimmen entsprechend den Anforderungen verschiedener Loch- und Nuttypen den jeweiligen Schermodus und die Spannungsintensität. Dadurch wird sichergestellt, dass die Spannungsbereiche am Rand der Laminierung gering sind. Aufgrund des Zusammenhangs zwischen Tiefe und Form spielen scharfe Winkel eine wichtige Rolle, sodass hohe Spannungsintensitäten in diesen Bereichen, insbesondere an den relativ langen Scherkanten innerhalb der Laminierung, zu erheblichem Eisenverlust führen können. Dies tritt vor allem im Bereich der Laminierung auf und ist daher häufig Gegenstand praktischer Forschung. Siliziumstahlbleche mit geringem Eisenverlust weisen oft größere Korngrößen auf. Ein Aufprall kann zu Gratbildung und Scherrissen an der Unterkante des Blechs führen, wobei der Aufprallwinkel die Größe des Grates und die Verformungsbereiche maßgeblich beeinflusst. Wenn sich eine Zone hoher Spannung entlang der Randverformungszone bis ins Innere des Materials erstreckt, erfährt die Kornstruktur in diesen Bereichen zwangsläufig entsprechende Veränderungen, wird verdreht oder bricht, und es kommt zu einer extremen Dehnung der Korngrenzen in Richtung der Rissbildung. Dabei erhöht sich zwangsläufig die Korngrenzendichte in der Spannungszone in Scherrichtung, was zu einem entsprechenden Anstieg des Eisenverlusts in diesem Bereich führt. Daher kann das Material im Spannungsbereich in diesem Fall als Material mit hohem Eisenverlust betrachtet werden, das sich über die normale Schichtung entlang der Aufprallkante legt. Auf diese Weise lässt sich die tatsächliche Materialkonstante der Kante bestimmen, und der tatsächliche Eisenverlust der Aufprallkante kann anschließend mithilfe des Eisenverlustmodells ermittelt werden.
1. Der Einfluss des Glühprozesses auf den Eisenverlust
Die Einflussfaktoren für Eisenverluste treten hauptsächlich bei Siliziumstahlblechen auf. Mechanische und thermische Spannungen verändern die Eigenschaften dieser Bleche. Zusätzliche mechanische Spannungen führen zu erhöhten Eisenverlusten. Gleichzeitig begünstigt der kontinuierliche Anstieg der Motorinnentemperatur das Auftreten von Eisenverlusten. Effektive Glühmaßnahmen zur Beseitigung zusätzlicher mechanischer Spannungen wirken sich positiv auf die Reduzierung der Eisenverluste im Motor aus.

2. Gründe für übermäßige Verluste in Fertigungsprozessen

Siliziumstahlbleche, als wichtigstes Magnetmaterial für Motoren, haben aufgrund ihrer Einhaltung der Konstruktionsvorgaben einen erheblichen Einfluss auf die Motorleistung. Darüber hinaus kann die Leistung von Siliziumstahlblechen gleicher Güte je nach Hersteller variieren. Bei der Materialauswahl sollte daher auf Produkte renommierter Siliziumstahlhersteller geachtet werden. Im Folgenden werden einige Schlüsselfaktoren aufgeführt, die den Eisenverbrauch in der Vergangenheit beeinflusst haben.

Das Siliziumstahlblech ist nicht isoliert oder ordnungsgemäß behandelt. Solche Probleme lassen sich zwar bei der Prüfung von Siliziumstahlblechen feststellen, jedoch verfügen nicht alle Motorenhersteller über diese Prüfvorrichtung, und das Problem wird von ihnen oft nicht ausreichend erkannt.

Beschädigte Isolierung oder Kurzschlüsse zwischen den Blechen können während der Herstellung des Eisenkerns auftreten. Beispielsweise kann zu hoher Druck beim Laminieren des Eisenkerns die Isolierung zwischen den Blechen beschädigen. Auch zu große Grate nach dem Stanzen, die durch Polieren entfernt werden müssen, können die Isolierung der Stanzfläche stark beeinträchtigen. Ist die Nut nach dem Laminieren des Eisenkerns uneben, wird sie gefeilt. Alternativ kann, aufgrund von Faktoren wie ungleichmäßiger Statorbohrung und fehlender Konzentrizität zwischen Statorbohrung und Maschinensitzlippe, das Abdrehen zur Korrektur eingesetzt werden. Die herkömmliche Anwendung dieser Produktions- und Verarbeitungsprozesse hat erhebliche Auswirkungen auf die Motorleistung, insbesondere auf die Eisenverluste.

Bei der Demontage der Wicklung mittels Methoden wie Abbrennen oder Erhitzen mit Strom kann es zu einer Überhitzung des Eisenkerns kommen. Dies führt zu einer Verringerung der magnetischen Leitfähigkeit und zu Schäden an der Isolierung zwischen den Blechen. Dieses Problem tritt hauptsächlich bei Reparaturen an Wicklung und Motor während der Produktion und Verarbeitung auf.

Durch Stapelschweißen und andere Verfahren kann es außerdem zu Schäden an der Isolierung zwischen den Stapeln kommen, wodurch die Wirbelstromverluste zunehmen.
Unzureichendes Eisengewicht und mangelhafte Verdichtung zwischen den Blechen. Die Folge ist ein zu geringes Gewicht des Eisenkerns, was unmittelbar dazu führt, dass der Strom die Toleranz überschreitet und möglicherweise auch der Eisenverlust den Standardwert übersteigt.
Die Beschichtung des Siliziumstahlblechs ist zu dick, wodurch der magnetische Kreis zu stark gesättigt wird. In diesem Fall ist die Kennlinie zwischen Leerlaufstrom und Spannung stark verzerrt. Dies stellt auch einen Schlüsselfaktor im Herstellungs- und Verarbeitungsprozess von Siliziumstahlblechen dar.

Bei der Herstellung und Verarbeitung von Eisenkernen kann die Kornausrichtung der Stanz- und Scherflächen des Siliziumstahlblechs beschädigt werden, was zu erhöhten Eisenverlusten bei gleicher magnetischer Induktion führt. Bei Motoren mit variabler Frequenz müssen zusätzlich durch Oberschwingungen verursachte Eisenverluste berücksichtigt werden. Dieser Faktor sollte im Konstruktionsprozess umfassend einbezogen werden.

Zusätzlich zu den oben genannten Faktoren sollte der Auslegungswert der Eisenverluste im Motor auf der tatsächlichen Fertigung und Verarbeitung des Eisenkerns basieren. Dabei ist darauf zu achten, dass der theoretische Wert mit dem tatsächlichen Wert übereinstimmt. Die von Materiallieferanten bereitgestellten Kennlinien werden zwar mit der Epstein-Spulenmethode ermittelt, jedoch ist die Magnetisierungsrichtung der verschiedenen Motorteile unterschiedlich, sodass diese speziellen Verluste im rotierenden Eisenkern derzeit nicht berücksichtigt werden können. Dies kann zu Abweichungen zwischen berechneten und gemessenen Werten führen.

Methoden zur Reduzierung von Eisenverlusten im technischen Design
Es gibt viele Möglichkeiten, den Eisenverbrauch im Maschinenbau zu reduzieren, wobei die Anpassung der Maßnahmen an die jeweilige Situation entscheidend ist. Dabei geht es nicht nur um den Eisenverbrauch, sondern auch um andere Verluste. Der grundlegendste Ansatz besteht darin, die Ursachen für hohe Eisenverluste zu ermitteln, wie beispielsweise hohe magnetische Dichte, hohe Frequenz oder übermäßige lokale Sättigung. Üblicherweise wird einerseits durch Simulationen eine möglichst realitätsnahe Umgebung geschaffen, andererseits werden Prozesse mit Technologien kombiniert, um den zusätzlichen Eisenverbrauch zu reduzieren. Die gängigste Methode ist der verstärkte Einsatz von hochwertigem Siliziumstahlblech, wobei unabhängig von den Kosten importierter Super-Siliziumstahl gewählt werden kann. Die Entwicklung inländischer, auf neuen Energien basierender Technologien hat die Wertschöpfungskette in vor- und nachgelagerten Bereichen positiv beeinflusst. Inländische Stahlwerke bringen zudem spezialisierte Siliziumstahlprodukte auf den Markt. Genealogy bietet eine gute Produktklassifizierung für verschiedene Anwendungsszenarien. Im Folgenden werden einige gängige Methoden vorgestellt:

1. Magnetkreis optimieren

Die Optimierung des Magnetkreises bedeutet präzise die Optimierung des Sinus des Magnetfelds. Dies ist nicht nur für Induktionsmotoren mit fester Frequenz entscheidend, sondern auch für Induktionsmotoren mit variabler Frequenz und Synchronmotoren. In meiner Zeit in der Textilmaschinenindustrie entwickelte ich zwei Motoren mit unterschiedlicher Leistung, um Kosten zu senken. Entscheidend war dabei das Vorhandensein oder Fehlen schiefer Pole, da dies zu inkonsistenten sinusförmigen Eigenschaften des Luftspalt-Magnetfelds führte. Aufgrund der hohen Drehzahlen machen die Eisenverluste einen großen Anteil aus, was einen signifikanten Unterschied zwischen den Verlusten der beiden Motoren zur Folge hat. Nach einigen Rückrechnungen zeigte sich schließlich, dass sich die Eisenverluste des Motors mit dem Regelalgorithmus mehr als verdoppelt haben. Dies verdeutlicht erneut die Notwendigkeit gekoppelter Regelalgorithmen bei der Entwicklung von Motoren mit variabler Frequenz und Drehzahlregelung.

2. Reduzierung der magnetischen Dichte
Die magnetische Flussdichte kann verringert werden, indem die Länge des Eisenkerns oder die magnetische Leitfähigkeitsfläche des Magnetkreises erhöht wird, allerdings erhöht sich dadurch die im Motor verwendete Eisenmenge.

3. Verringerung der Dicke der Eisenspäne zur Reduzierung des Verlusts an induziertem Strom
Durch den Ersatz von warmgewalzten Siliziumstahlblechen durch kaltgewalzte Siliziumstahlbleche kann die Dicke der Siliziumstahlbleche verringert werden, jedoch erhöhen dünne Eisenspäne die Anzahl der Eisenspäne und die Kosten der Motorherstellung;

4. Verwendung von kaltgewalzten Siliziumstahlblechen mit guter magnetischer Leitfähigkeit zur Reduzierung der Hystereseverluste;
5. Verwendung einer hochleistungsfähigen Eisenspäne-Isolierbeschichtung;
6. Wärmebehandlungs- und Fertigungstechnologie
Die nach der Bearbeitung von Eisenspänen entstehenden Eigenspannungen können die Motorverluste erheblich beeinflussen. Bei der Bearbeitung von Siliziumstahlblechen haben die Schnittrichtung und die Scherspannung beim Stanzen einen signifikanten Einfluss auf die Verluste des Eisenkerns. Durch Schneiden in Walzrichtung und anschließende Wärmebehandlung des Siliziumstahlblechs lassen sich die Verluste um 10 bis 20 % reduzieren.