西莫论坛研讨会第三期——硅钢发展、工艺及特性

1、西莫论坛研讨会第三期硅钢的发展、工艺及特性张老五除了前途未卜的无铁心电机，无论哪一种电机或者是变压器，都少不了一个核心部分铁心，而铁心的主要成分，就是硅钢。从某种程度上来说，电机设计的最大难点，也是由于硅钢造成的因为硅钢是一种非线性材料，由此造成了电机的设计和计算过程中无数重复。想必学过电机设计的人，在第一次被老师要求进行手算的时候，都少不了要对些进行一番无声或者有声和。同时，由于这一非线性的特性，也造成了许许多多的名词，比如饱和，比如迭代。作为电机人，不仅仅应该了解电机的设计和工艺，也应当对电机中的核心部分有所了解，特别是主要用于电机的材料硅钢。谈硅钢，要先从磁性材料的分类谈起。磁性材料按照

2、矫顽力的大小分为软磁、半硬磁和硬磁，电工钢属于软磁材料，其产量占全部软磁材料的83%。磁性材料主要有这些种类。下载 (27.45 KB)2011-4-7 20:16品种实在太多，就不一一解释了。在软磁材料中，电工钢的性价比高，因此得到大量的使用。以下是一些主要磁性材料的性价比对照表。下载 (19.88 KB)2011-4-7 20:20硅钢的发展1898年英国哈德菲尔德研究发现了在碳钢中添加一定量的硅能够获得良好的磁性，由此开始了硅钢（Si0.5%称为低碳电工钢）的发展历程。硅钢的发展史就是铁损降低的历史。硅钢的分类电工钢按轧制工艺分为冷轧和热轧两大类，按磁性分取向和无取向两大类。热轧硅钢属于

3、无取向硅钢，目前世界上基本上只有我国生产。电工钢中Si0.5%也称为硅钢。下面简单介绍一下硅钢的制造工艺见图片：下载 (39.02 KB)2011-4-7 20:29下载 (28.69 KB)2011-4-7 20:29其实前期的工序同别的钢材也差不多，后期才是关键，特别是退火工艺，这是核心机密热轧和冷轧硅钢在此有必要提一下热轧硅钢和冷轧硅钢的差别。目前全世界基本上只有中国还有大规模的热轧硅钢的制造。从制造工艺来看，直到炼钢为止，热轧硅钢和冷轧硅钢的工艺基本上的相同的。主要差别在热轧上。冷轧硅钢是先热轧到一定厚度，再冷轧到需要的厚度。热轧硅钢则不然，由于热轧时钢板处于红热状态下，无法直接轧制到

4、需要的厚度（机械强度不足），所以热轧硅钢都是用叠轧法，即把几块钢板叠在一起进行轧制。比如四块一起轧到2毫米，每块就是0.5.毫米。轧制完成后，等钢板冷却后，再用人力把钢板之间分开。热轧硅钢和冷轧硅钢相比，优点就是价格低，另外一个优点是冲片后应力小，磁性能下降不明显。但缺点更多：其一，表面平整度差，尺寸偏差比较大，叠片系数低其二，热轧硅钢表面没有涂层，靠冷却过程中自然形成的氧化层绝缘，绝缘性能差，损耗偏大（但也有酸洗后或不酸洗再涂胶的工艺，比较少见）其三，热轧硅钢比较硬，对模具的磨损大一些（这个不一定算缺点）其四，热轧硅钢由于工艺的原因，成品就是一个长方块，而且因为比较硬，所以没法卷，只能裁成方

5、形或者长方形交货，这样材料的利用率就比较低。相对的，冷轧通常是成卷交货，每卷的长度可达几百米甚至更长。（上千米也不成问题）关于硅钢的规格型号硅钢的规格型号，行话叫做牌号，从牌号里就可以看出硅钢的一些主要信息。硅钢的牌号一般表示为（A）mm(B)nnnn其中A通常是厂商的代码，也有的厂商代码表示在B中，B表示产品系列（这个各厂商都不相同），mm表示钢板厚度*100，nnnn表示铁损标称值*100。以B50A470为例，B的宝钢的代号，A表示是普通系列，50表示0.5毫米厚，470表示该牌号的标称铁损值P15/50是4.7W/kg。类似的产品，太钢的叫50TW470，其中T是太钢的代号，W表示无取

6、向的意思。同样的，同一牌号的硅钢，性能可能差不多，在鞍钢叫做50AW470，在武钢叫做50DW470.顺便说一句，武钢的牌号很多，470就有50DW470、50WW470、有时还有50W470存在。甚至国外的牌号也有类似的，比如JFE的就叫做50JN470.磁性能指标既然说到了牌号，就顺便说一下硅钢的磁性能指标 主要有这么几个，P10/50，P15/50是铁损的主要指标，其中10或15是指磁感为1.0或1.5T，50是50HZ。B10、B25、B50、B100，分别表示在当磁场强度为1000、2500、5000或10000A/m时的磁感值。磁性能，再进一步的，就是损耗曲线和磁化曲线。大体上损耗

7、曲线主要影响铁耗，损耗是越低越好，磁化曲线主要影响功率因数，磁感是越高越好。只不过这两者之间本身就是一个矛盾体，通常损耗越低的硅钢，磁感也会低一些。所以说，不是牌号越高就一定好，适用最好。除了磁性能以外，硅钢还有一些性能，主要是影响其加工性，比如延伸率、硬度等等。下面这些性能可能一般的设计师都不太会关注，但有时它们对加工的影响也是十分巨大的： 板形：平直度、镰刀弯、同板差、浪形、翘曲板形是一个笼统的概念，包括镰刀弯、同板差（横向厚差、纵向厚度差、厚度偏差等）、浪形（边浪、中浪等）、翘曲等等，总之就是指带钢板面不平整的程度。镰刀弯主要因带钢剪切时发生偏移，如两侧剪刀不同步、带钢跑偏等；或带钢内应

8、力不均衡所致，在外部张力释放的情况下，两侧内应力不均横导致纵向发生偏移翘曲主要因带钢内应力在退火过程中未完全消除或卷取、剪切时的应力偏差（如上下剪刃不匹配）所致；在外部张力释放的情况下，带钢往垂直于板面的方向翘曲。同板差一般情况下主要指横向厚度偏差，指带钢边部25mm范围内横向厚度的偏差。主要是轧制过程边缘降所致。纵向厚度差则是指带钢长度方向的中心厚度偏差（最大值最小值）；厚度偏差主要指带钢中心厚度和公称厚度的差值。 不平度（波浪度、浪形）一般情况下由轧机产生，也可能因退火过程张力、受热不均，或者在成品剪切时的剪切应力或圆盘剪与带钢运行不同步所致。其实硅钢还有一个重要的性能，就是涂层，以及跟涂

9、层密切相关的：层间电阻涂层的种类很多，厚度也各不相同？宝钢无取向电工钢涂层有半有机含铬A、H 涂层，环保K 涂层、环保极厚J涂层，自粘接Z 涂层，环保超厚L 涂层。A 涂层膜厚0.8±0.2g/m2，H 涂层1.8±0.2g/m2，K 涂层1.0-1.5g/m2，J 涂层2-4 微米，Z 涂层，L 涂层4-7 微米。涂层不同不仅仅是厚度的差别，层间电阻也各不相同，通常厚的涂层层间电阻会更大一些，叠片后的损耗就会小一些。此外，涂层对冲片性也有一定的影响。其他各家也差不多，只不过命名可能不同，有的厂家就是C1C2C3一直到C6.下面介绍一下硅钢的最主要特性，损耗 变压器和电机是

10、根据电磁感应原理制造的，磁路是电能转换的媒介。铁芯就是它们的磁路部分，主要作用是导磁，一般由磁导率很高的冷轧取向电工钢（变压器）或无取向电工钢（电机）制成。绕组中通以很小的励磁电流，在铁芯中可以产生很大的交变磁通，感应出所需要的电势。铁芯在交流状态下工作，功率损耗不仅在线圈电阻上产生，也产生在交变电流磁化下的铁芯中。通常把铁芯中的功率损耗叫“铁损”，其主要由两个部分组成，一个是“磁滞损耗”，一个是“涡流损耗”。“磁滞损耗”是铁芯在磁化过程中，由于存在磁滞现象而产生的铁损，这种损耗的大小与材料的磁滞回线所包围的面积大小成正比。电工钢的磁滞回线狭小，用它做铁芯磁滞损耗较小，可使其发热程度大大减小。

11、“涡流损耗”是由于铁芯在工作时，线圈中产生交变电流，同时产生交变磁通。由此导致在铁芯中产生感应电流。感应电流在垂直于磁通方向的平面内环流产生涡流。涡流发热产生损耗叫涡流损耗。因此铁芯用彼此绝缘的电工钢片叠成，使涡流在狭长形的回路中，通过较小的截面，以增大涡流通路上的电阻；同时电工钢中的硅使材料的电阻率增大，也起到减小涡流的作用。16#我提一个问题：三相电机要是采用有取向钢会怎样？17#提问： 硅钢中有无取向和取向的区分问题有以下：             1.有无取向指的是什么？18#我试着想象一下：电流会大，发热

12、严重，正反转性能会不同。是否正确，请大家评说16#17#关于取向和无取向无取向硅钢各个方向的磁性能比较接近，适用于旋转电机的需求，而取向硅钢轧向磁性最好而非轧向磁性能很差，比较适用于变压器的需求。因此这就可以回答后面 两位兄弟的问题。取向硅钢如果用于电机，在工艺和结构都不发生变化的情况下，显示不出什么优越性来。因为电机内是旋转磁场，即使是某一时刻，各处的磁场方向都不相同。而取向硅钢的特点，就是在轧制方向以及一个比较窄的角度范围内（一般是正负20度）性能很好，损耗非常低，而在其他方向则相当地差，损耗可达2-3倍。因此，这样制造出来的电机，是看不出优点的。我们曾经做过试验，确实是如此。当然，也有用

13、取向硅钢做电机的，一般是两个极端，一种是特别大的电机，比如现在百万千瓦的发电机就多数是用取向硅钢来做；另一种是小型电机分块式铁心结构的。总之，要估计每个齿，至少也是每组齿都正好处于轧制方向，这样可以充分利用取向硅钢的优越性能。再回18#不一定不好，只是体现不出优点来，取向硅钢由于工艺复杂，价格要贵得多，没有好处的事可没人做。而且有能力制造的厂家很少，国内目前只能武钢和宝钢有取向硅钢，鞍钢据说已经做出来了，可就是没见到长什么样。内容就先讲这些，下面先回答一下后面几位兄弟的问题24#听说热轧片损耗以磁滞为主，冷轧以涡流为主，是不？这个结论我没听说过，也不知道是否确切。据我所知，在同等损耗条件下，热

14、轧硅钢的硅含量要比冷轧高，换句话说，材料的电阻要大，从这个意义上来说，同牌号的热轧硅钢相对于冷轧硅钢来说，磁滞损耗的比例也有可能要大一些。25#扫盲菜鸟提问：“硅钢作为铁心的主要成分，请问硅钢的优点在哪儿？就是说用硅钢而不用其他材料的原因是什么？”其实硅钢的主要优越性就是磁导率比较高，跟磁导率相近的材料比，成本比较低。在这提一句，现在非晶合金也比较流行，将来配电变压器的发展方向，是非晶合金，还是更高硅含量和更薄的硅钢，倒是一个有趣的话题。期待能看到有内容和根据的意见。34#在设计过程中也遇到些问题，如需要硅钢片曲线到2.6T的，找不到相关磁化曲线，不知哪位大侠有，给小弟传个哈！非常遗憾地告诉你

15、，硅钢材料里这样的曲线是不可能有的。硅钢的极限磁感，也就是略高于2.0T，据说有能做到2.2T的，可惜我也没见到过。如果你一定需要这么高的磁感，建议你试试超导材料或者至少是电工纯铁。35#提问：“通常损耗越低的硅钢，磁感也会低一些。”求这句话的意思！磁感低是不是容易饱和？或者说漏磁系数大些？比较是在相对条件下进行比较，比如同样B25，470就肯定比800要小一些，至于漏磁系数，似乎跟硅钢的材料特性无关。qwxqwx：回复 25# hayeesu     试着回答一下。这是由铁心材料对磁性能的主要要求决定的。在高磁场下使用时是在一定的频率和磁感应强度下具有低的铁损和在一定的磁

16、场强度下具有高的磁感应强度。铁损低，可降低总损耗，提高效率；磁感应强度高，可缩小体积，减轻重量。在低磁场下使用时，要求有高的磁导率和低的矫顽力。磁导率高，当匝数一定时，通以不大的电流就能产生较高的磁感应强度，从而获得高的输出电压。材料的矫顽力低，磁滞回线面积小，铁损小。硅钢满足了上述要求，就选用了。41#鞍钢50AW470还不如武钢50wW700.楼主你说是怎么回事？回复：41#这是有可能的，武钢ww性能是不错的，50ww700有时可以比600性能更好，鞍钢这方面经验不足，性能差一些也可以理解另外，武钢的700可能有特殊性能，没准是特别定制的产品，没准是用更高牌号降等使用的，这样性能好就更不稀

17、奇了。43#说一下大型的水轮发电机，我们基本上用M25050A或者M27050A，都是进口材料；国产的对应牌号是武钢的50w250和50W270，但目前还满足不了要求，我们没有使用。回复：43#250和270已经不算什么了，国内三峡地下电站以及后续的几个尚家坝，溪洛渡都在用国产硅钢。48#能不能也讲一些国外比较常用的硅钢片厂家和牌号，顶贴国外做硅钢的厂家也很多欧洲的，英国法国都有，比较有名的是安塞洛-米塔尔，旗下有好几家都有硅钢；蒂森克虏伯；俄罗斯的新佩利茨（好像是这个名字），价格便宜量又足，就是性能不稳定。亚洲的，日本的新日铁和JFE（应该叫川崎制钢吧）；印度有个塔塔，水平一般；韩国浦项美洲

18、的也不和，美国有个AK，规模不算大，来头可不小，是取向硅钢的发源地，新日铁的取向硅钢也是从他们那买的专利，巴西的AGNEL（好像是这么拼的）国内就太多了，国营加民营的，怎么着也有二三十家。51#请教下直流偏磁对损耗的影响有多大！有不同牌号下的直流偏磁时的损耗曲线吗？直流偏磁主要是引起饱和，交流分量的磁感就很难再提高，损耗方面，似乎没有直流损耗曲线下载 (20.7 KB)2011-4-7 20:4954#提问：硅钢的极限磁感，也就是略高于2.0T，据说有能做到2.2T的能达到2.0-2.2T的是取向硅钢，还是无取向硅钢？无取向的，这是极限磁感，用不到的取向的可以再高一点点，但也有限，2.6是无论

19、如何也达不到的56#Bs最高的材料有什么？我目前了解的最高的似乎是2.35T，1j22合金。1J22我听说过，没见过。再高磁感的，可能要想办法用超导体来实现57#1，硅钢片冲制成冲片后，剩余的边角料还能再回收吗？比如重新回炉做成硅钢片？2，冲片冲制好后，如果长时间不用，是否需要防护，如果需要防护，一般会有什么样的措施？3，铁芯叠压时，如果只根据一定的片间压力和冲片面积设定油压机压力，能否保证叠压系数和铁芯长度？1、硅钢的综合利用有一些思路。首先，当然是自己用，定子内孔做转子，这是常规的，转子内孔呢，做小电机，当然前提是转子内孔要足够大。其次呢，在落料里可以进行分布，比如外圆可以交错排列，这样边

20、缘的浪费就不多了，至于由于尺寸原因宽度方向无法充分利用的，可以考虑不同尺寸的外圆落在一张板上。第三，订货里就要考虑到最适合自己的宽度尺寸，尽可能地充分利用材料。第四，据说有人收边角料，不知道拿去做什么去了。最后，实在没地方去的边角料，只能当废钢了，至于用来炼什么钢，好像没听说专门用来烧硅钢的。毕竟硅钢对成分的控制要求比较高，废钢也不可能做到成分统一吧？2、为什么要放很长时间呢？冲完了赶紧装配不好么？储存方面主要是防锈，以及防止受力。3、叠压时主要就是控制个压力和长度59#把宝钢，武钢的产品 310 270 250价格列一下，对照对照。硅钢的价格不仅跟牌号有关，也跟涂层、宽度密切相关宝钢的产品，

21、310大概是一万出头一点点，270大概是一万一，250大约一万二。这些都是一米二宽度，含税价。价格是去年年底的，今年年初涨过一些，但不多，不过最近好像又跌价了，所以估计现在也差不多。武钢的价格信息我没有，应该差别不大60#对与老师的回复我不满意哦，既然老师做过对比，能否告知一下对比的数据结果，取向钢“这样制造出来的电机，是看不出优点的”，那是否代表有缺点呢？当然我指的是，将有取向的就当做无取向的，不采取“每组齿都正好处于轧制方向”这样类似的措施。样机不是我自己做的，数据也不在手边，反正结论就是这样的，看下来效率和功率因数都没有明显的改善。62#我们开卷后发现同宽度的材料放在料架上有的会变鸭蛋形

22、，有的基本保持原形，是什么原因？因为鸭蛋形的料在装到高冲送料机上很困难，有时甚至伤人！先说明一下怎么个鸭蛋形64#我还想问一下，一般硅钢材料的磁化曲线都有两条，一条是直流磁化曲线，一条是交流磁化曲线，五哥能不能讲讲这两条曲线的区别，和怎么用？我们在添加新材料输入磁化曲线的时候用哪个？还有高频的磁化曲线和低频的有什么不同？我知道一般好像比低频的低，一般能低多少？我的看法是，直流磁化曲线跟50HZ磁化曲线相比，差别并不大，主要的差异是在1.0T以下的区域，以上就基本重合了，而实际上用到的，多数是1.3-1.6T的范围。所以，计算时用哪条都问题不大，误差在可以接受的范围内。当然，如果是高频电机，可能

23、差异就比较显著了，建议找条跟实际运行时比较接近的磁化曲线来计算。至于差异有多少，要看是在什么条件下，大体上，对同样的B而言，B比较小时，是高频下的H较大，而B比较大时，是高频下的H比较小。无他，频率越低越容易饱和。66#如何检测硅钢材料的特性是否满足规定的要求呢这个，一般都有质保书的，几个主要参数都有了，没必要都自己测。当然，自己想测也不难，一套磁测装置也不值几个钱68#武钢有一个0.2mm厚的硅钢片子叫20WTG1500，是不是和宝钢的B20AT1500一样从牌号上看应该是相同的，性能方面不是很清楚，我没有武钢的资料，不过估计应该差别不大。71#取向硅钢片的轧制方向在实际设计时如何得知，且通

24、过何种实验得知其角度范围这个开卷时一看便知，长度方向就是轧制方向。至于角度范围和性能，这是做过实验的。76#1.相同的大小2个电极（定转子铁心相同），一个四级，一个六级。变频器供电。保证2个转速相同，气隙磁密相同，那么他们的铁耗一致么？2.交变磁场（变压器）与旋转磁场（电极）假设频率相同，磁场大小一样（假设铁磁材料相同），那么损耗一致么？ 这第一个问题似乎论坛上有人讨论过，这种纯理论的课题我就不献丑了。不过这前提条件还真是不少，又要相同大小，又要转速相同，又要气隙磁密相同，难哪。不知道变频器的谐波是不是相同啊？这第二个问题么，也有点类似，纯理论。如果假设频率相同、硅钢材料相同、体积和重量相同，

25、那么损耗还是不同的。因为电机中是旋转磁场，磁场分布和变化要复杂得多，加工装配工艺也有很大的差别。别忘了，电机还有个铁耗系数存在。78#有人说高频下损耗的绝大部分是涡流损耗，并说高频下所用的硅钢片不需要做退火处理，理由是退火处理只对磁滞损耗有改善效果？请问是这样的吗？这不好一概而论，磁滞损耗和涡流损耗哪个大，既跟磁密有关，也跟频率有关。只能这样说，随着频率的增加，磁滞损耗的增加速度不如涡流损耗的增加速度，我看到过一些论文，某牌号在1.5T时，到2600HZ时两者基本上相等，你说哪个大？有兴趣的，可以看看下面这篇文章。89#提问：电机的铁耗，仅是工频产生的，还是也包括谐波频率产生的铁耗？回复 89

26、# forlink     实际的铁耗是比较复杂的，所以才有铁耗系数的存在。通过B和硅钢的损耗曲线算出来的，这是计算的基础。在此基础上再乘个系数，所得叫基本铁耗，除上述计算值外，还包括了加工（冲压和车削后的短路因素）、磁通密度分布的不均匀、磁密随时间不按正弦规律变化以及旋转磁化与交变磁化之间的差异等的影响。应该说，基本铁耗是以基波在硅钢中产生的损耗为主。按统计规律，轭部系数取1.5或1.3，齿部取1.8.但实际上的铁耗要比这大得多。铁耗系数小则1.5，2，大则2.5，3。差别的部分，包括铁心表面损耗和齿中的脉振损耗，是由气隙中的谐波磁场引起的。铁耗是如此的复杂，所以很多有限

27、元软件都说铁耗算不准。90#提问：    请问用普通的10号钢代替硅钢片生产5.5KW左右的电机，性能方面到底有多大的影响。如果用15号钢又会怎么样，他们对电机性能的影响是一个什么样的关系？首先，10号钢或者15号钢的性能数据有没有？没有的话，只能定性地说一说。其次，10号钢也好15号钢也好，厚度如何？第三，不管怎么样，结构钢和硅钢的最大区别，在于硅钢含硅，而且通过工艺过程，可以使其损耗值大幅度降低。因此，用普通结构钢来做电机，铁损肯定会有明显的增加，相应的，效率也降低，温度会升高。不过功率因素有可能会略有改善95#现在有听说用Q235电工钢板退火处理后发蓝，性能达到鞍钢1

28、000的水平，不知道有没有人试验过？。回复 95# go8manager     这个恐怕难。1000牌号的实际损耗也就是刚超过6w，不知道Q235能达到吗？当然，鞍钢的硅钢出来时间不长，水平可能会低一些“ 使涡流在狭长形的回路中，通过较小的截面，以增大涡流通路上的电阻” 不就增大涡流损耗了吗？标准答案回复：增大涡流通路上的电阻怎么会增大涡流损耗呢？试想如果涡流通路上的电阻变为无穷大，那么还有涡流吗？jess：回复 76# xiao2hei    刚回来，讨论得热火朝天啊。变压器先不说，节能高效电机方面国内研究的还不够，做这方面研究的要多看看日本在这方面

29、的研究。电机的旋转磁通损耗（2D或叫矢量磁测量、甚至3D磁测量）是目前研究热点，国内的研究正在跟进。变压器中的旋转磁通：下载 (147.5 KB)2011-4-11 14:07电机中的旋转磁通:下载 (90.61 KB)2011-4-11 14:08下载 (84.68 KB)2011-4-11 14:11loss.JPG (85.2 KB) 最后一图是电工钢的发展趋势及损耗组成（扫盲）今天的硅钢技术，搜刮来的，不懂，看画：请问如果不考虑交流损耗，Bs最高的材料有什么？我目前了解的最高的似乎是2.35T，1j22合金。可能有点跑题哈 .brucewnan 发表于 2011-4-7 22:29 s

30、waint 回答:1j22的Bs已经是目前最高的材料，一般在结构非常紧张的时候使用，但是材料太脆，不好加工，另外价钱相当的昂贵，除非电机附加值非常高或者必须研制的军工产品，不得已情况下才会使用。yewenting回复 90# tanjunjield 提问：    请问用普通的10号钢代替硅钢片生产5.5KW左右的电机，性能方面到底有多大的影响。如果用15号钢又会怎么样，他们对电机性能的影响是一个什么样的关系？    希望各位大虾帮我解答一下用结构钢 铁损肯定要大些，但在磁性能方面有些优势 xx价格差了不是一点点，效率差了也不是一点点下载 (78.52 KB)2011-4-11 14:48-张老五1）现假设用10或15钢做的电机为1号电机，用硅钢做同样的电机为2号电机比较： 1号电机最高效率点可能会低一点，但是整个效率曲线的高效率区会大些，就是说随着负载的增大，1号电机效率下降缓些 2号电机快些。2）另10比硅钢的价格可能低些（我没确切了解过 不知道对不对）3）