船舶電氣設(shè)備鐵損及其抑制的研究

劉貞賢

摘 要：由于船電交流制優(yōu)于直流制，因此交流電器在船舶上得到了廣泛應(yīng)用?；诠?jié)能和提高船舶電器設(shè)備運(yùn)行的可靠性，以電磁場(chǎng)理論作為依據(jù)，對(duì)鐵損進(jìn)行研究，找出了鐵損中磁滯損失和渦流損失原因所在，提出了抑制鐵損的各種方法和措施。同時(shí)對(duì)船舶電器如何防范因鐵損引起的損壞及保障其正常運(yùn)行提出了意見(jiàn)，并對(duì)電感性電器的正確保養(yǎng)和維修也作了一定的敘述。

關(guān)鍵詞：船舶;電氣設(shè)備;鐵損;抑制

引言

帶有線圈的鐵心在線圈通有交變的正弦交流電流時(shí)被反復(fù)磁化，由磁滯現(xiàn)象產(chǎn)生了磁滯損失。另一方面，在鐵心內(nèi)部由于磁感應(yīng)的作用，出現(xiàn)了渦流，渦流在鐵心內(nèi)部流動(dòng)就有功率的損耗，這種損耗稱之為渦流損失。因此，鐵損就是磁滯損失與渦流損失的總和。所以，從理論上研究鐵損，在工程上如何抑制鐵損，不僅對(duì)船舶電站具有節(jié)能的價(jià)值，而且對(duì)船舶電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，以及正確維護(hù)、保養(yǎng)和修理具有實(shí)際意義。

1.磁滯損失

為了方面進(jìn)行研究，我們畫(huà)出了磁滯回線，如下圖1.圖中帶有箭頭的回線代表的是鐵心受到交流電流的作用之后，在反復(fù)磁化一周之中磁感應(yīng)B和磁場(chǎng)強(qiáng)度變動(dòng)的實(shí)際情況。

若我們用A來(lái)代表磁場(chǎng)建成之后磁場(chǎng)中的能量密度，這個(gè)時(shí)候磁感應(yīng)就該由零逐漸遞增到B，那么就有：（下面公式所示）

只要我們把（1）中的積分上、下限換為適當(dāng)?shù)纳稀⑾孪?，這個(gè)就可以來(lái)研究鐵心受到反復(fù)磁化一周之后，它的單位體積內(nèi)部的電量就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變動(dòng)。從上圖1來(lái)看，當(dāng)圖示中的h點(diǎn)順著磁滯回線回到C點(diǎn)的位置時(shí)，H就會(huì)出現(xiàn)大于0的情況，dB也會(huì)出現(xiàn)大于0的情況。因此，我們可以得到：（2）。這個(gè)就是鐵心磁化的時(shí)候由外電源供應(yīng)的能量，在（2）中MH、MB是圖1示中的B和H的標(biāo)度。

相同的道理，我們可以得到在順著磁滯回線的cd部分之時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)H大于0，而dB會(huì)小于0，這個(gè)是鐵心退磁時(shí)候返回給外部電源的能量。當(dāng)沿著磁滯回線df部分時(shí)，H會(huì)小于0，dB也會(huì)小于0，這個(gè)時(shí)候的鐵心在反方向磁化時(shí)，外部電源供給的能量。在順著磁滯回線的fg部分之時(shí)，H小于0而dB會(huì)大于0，這是把能量返回給外部電源。在順著磁滯回線的gh部分之時(shí)，H會(huì)大于0，dB也會(huì)大于0，這是能量由外部的電源供給的情況。

從這里我們可以知曉，在鐵心受到反復(fù)磁化一周的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)能量的損失。如果我們用Ah來(lái)表示鐵心在每次反復(fù)磁化一周之中單位體積內(nèi)損耗的能量，就有（3）。在這個(gè)公式之中，S表示的是磁滯回歸線的面積。因?yàn)橛羞@種損失的存在，鐵心在受到反復(fù)磁化的時(shí)候要散發(fā)熱量，就會(huì)出現(xiàn)磁滯損失。

2.渦流損失

令磁感應(yīng)B是均勻的，而且它隨著時(shí)間會(huì)作正弦變化。實(shí)際上正弦交流的電源產(chǎn)生的磁感應(yīng)B是按照這個(gè)規(guī)律變化的。因此，磁感應(yīng)B的瞬時(shí)值就可以用公式（4）表示：

公式之中的Bm就是磁感應(yīng)的幅值，f是磁感應(yīng)變化的頻率。虛線表示的回路內(nèi)應(yīng)力電動(dòng)勢(shì)（5），以及電阻的定義，這個(gè)回路的電阻是：（6），其中這里面的p是導(dǎo)體片的電阻率。這個(gè)耗損在這一回路內(nèi)的瞬時(shí)功率就是：（7），我們從上面就可以求出耗損在整個(gè)的導(dǎo)片內(nèi)部的瞬時(shí)功率就是：（8），在公式之中就是導(dǎo)片的體積。

在實(shí)際的意義上，對(duì)于正弦交流電無(wú)論是在計(jì)算還是對(duì)功率的測(cè)定上，通常都是一個(gè)周期內(nèi)的平均功率，并用P表示。我們可以從導(dǎo)片內(nèi)由于出現(xiàn)渦流引起的功率損失可以表示為：（9）。

3.抑制的措施

3.1材料與處理

由式（3）可知，要降低磁滯損失，繞組中鐵心的材料應(yīng)選用磁滯回線所包絡(luò)面積較小的材料，即軟磁材料，如鑄鐵、鑄鋼、純鐵、硅鋼、坡莫合金和鐵氧體等材料。

由式（10）可以看出，渦流損失與導(dǎo)片的厚度h的平方成正比，所以將鐵心材料切成薄片，在其表面涂有絕緣漆，然后疊成鐵心。并且還可看出，渦流損失與鐵心的電阻率ρ成反比，因此，交流鐵心可滲入小量的硅（百分之幾）來(lái)提高其電阻率。此外還與磁感應(yīng)的幅值Bm的平方成正比，而對(duì)此項(xiàng)的控制可選用Bm值較低的軟磁材料。

3.2制造與使用

在感性電器的制造工藝上，硅銅片的疊置方向應(yīng)平行于磁力線，這樣對(duì)每一片來(lái)說(shuō)切割磁力線相對(duì)較少，在各片中產(chǎn)生的渦流也就大大降低。在使用時(shí)，因?yàn)闇u流與電源的頻率f成正比，所以要防止設(shè)備在過(guò)頻下運(yùn)行，否則，不僅渦流損失增大造成能源浪費(fèi)，而且因渦流增大使鐵心溫度上升，導(dǎo)致電氣設(shè)備的絕緣燒壞。

3.3維修與保養(yǎng)

以交流電動(dòng)機(jī)為例加以分析。交流電動(dòng)機(jī)由于某種原因，造成過(guò)載、堵轉(zhuǎn)或短路，引起電流過(guò)大而燒壞繞組，對(duì)此類電機(jī)在維修時(shí)通常作如下處理，首先將被燒繞組拆下重新繞制更換，然后整體涂絕緣漆后烘干，待絕緣達(dá)2MΩ以上后就維修完畢。但這種維修存在的問(wèn)題是，當(dāng)繞組燒壞時(shí)溫度已達(dá)到了數(shù)百度，其鐵心硅鋼片之間原有的絕緣漆也同樣受高溫已被燒損，片間絕緣大幅度下降。如果按上述通常維修方法，實(shí)際上已經(jīng)失去了電機(jī)制造工藝上將鐵心硅鋼片表面涂有絕緣漆，以提高鐵心電阻降低渦流損失的意義。所以交流電動(dòng)機(jī)被燒壞后，不僅需要更換繞組，而且對(duì)其鐵心的硅鋼片之間，最好也要作徹底的絕緣處理。否則，不僅電機(jī)效率降低，而且在同樣的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下因溫度過(guò)高會(huì)經(jīng)常被燒，所以該電機(jī)已達(dá)不到原有的額定功率。另外，變壓器、接觸器、繼電器及電磁閥等都是帶鐵心繞組的交流電器，其鐵心也都是由片間絕緣的硅鋼片疊成的，所以在維修時(shí)同樣需要注意上述問(wèn)題。在日常保養(yǎng)及拆裝過(guò)程中還須防止鐵心絕緣的損壞。

結(jié)語(yǔ)：

通過(guò)對(duì)鐵損的研究與分析，找出了磁滯損失和渦流損失的理論依據(jù)，并根據(jù)依據(jù)，對(duì)交流感性電器在制造工藝、材料選用和維修保養(yǎng)中，如何抑制磁滯損失和渦流損失提出了方法和措施，并對(duì)設(shè)備防止過(guò)頻運(yùn)行也提出了意見(jiàn)。這對(duì)交流電器的節(jié)能和保障船舶電氣設(shè)備的正常運(yùn)行有一定的實(shí)際意義。但尚須指出的是，交流電器硅鋼片鐵心在修理時(shí)，其片間作徹底的絕緣處理難度較大，對(duì)這一維修工藝仍需繼續(xù)探討。

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