Como reduzir a perda de ferro no motor

Fatores que afetam o consumo básico de ferro

Para analisar um problema, precisamos primeiro conhecer algumas teorias básicas que nos ajudarão a compreendê-lo. Primeiramente, precisamos conhecer dois conceitos. Um deles é a magnetização alternada, que, simplificando, ocorre no núcleo de ferro de um transformador e nos dentes do estator ou rotor de um motor; o outro é a propriedade de magnetização rotacional, produzida pela carcaça do estator ou rotor do motor. Existem muitos artigos que partem desses dois pontos e calculam as perdas no ferro do motor com base em diferentes características, de acordo com o método de solução acima. Experimentos mostraram que chapas de aço silício exibem os seguintes fenômenos sob a magnetização dessas duas propriedades:
Quando a densidade de fluxo magnético é inferior a 1,7 Tesla, a perda por histerese causada pela magnetização rotativa é maior do que a causada pela magnetização alternada; quando é superior a 1,7 Tesla, ocorre o oposto. A densidade de fluxo magnético do núcleo do motor situa-se geralmente entre 1,0 e 1,5 Tesla, e a perda por histerese da magnetização rotativa correspondente é cerca de 45 a 65% maior do que a perda por histerese da magnetização alternada.
É claro que as conclusões acima também são utilizadas, e eu não as verifiquei pessoalmente na prática. Além disso, quando o campo magnético no núcleo de ferro varia, uma corrente é induzida nele, chamada corrente de Foucault, e as perdas causadas por ela são chamadas de perdas por corrente de Foucault. Para reduzir as perdas por corrente de Foucault, o núcleo de ferro do motor geralmente não é fabricado em um bloco único, sendo empilhado axialmente por chapas de aço isolantes para impedir o fluxo das correntes de Foucault. A fórmula específica para o cálculo do consumo de ferro não será complexa aqui. A fórmula básica e a importância do cálculo do consumo de ferro, conforme demonstrado no Baidu, serão bastante claras. A seguir, apresentamos uma análise de alguns fatores-chave que afetam o consumo de ferro, para que todos possam deduzir o problema em aplicações práticas de engenharia.

Após a discussão acima, por que a fabricação por estampagem afeta o consumo de ferro? As características do processo de estampagem dependem principalmente dos diferentes formatos das máquinas de estampagem e determinam o modo de cisalhamento e o nível de tensão correspondentes, de acordo com as necessidades de diferentes tipos de furos e ranhuras, garantindo assim condições de áreas de baixa tensão ao redor da periferia da laminação. Devido à relação entre profundidade e formato, ângulos agudos são frequentemente afetados, a ponto de altos níveis de tensão poderem causar perdas significativas de ferro em áreas de baixa tensão, especialmente nas bordas de cisalhamento relativamente longas dentro da faixa de laminação. Especificamente, isso ocorre principalmente na região alveolar, que frequentemente se torna um foco de pesquisa no processo de pesquisa prática. Chapas de aço silício de baixa perda geralmente apresentam tamanhos de grão maiores. O impacto pode causar rebarbas sintéticas e cisalhamento por rasgamento na borda inferior da chapa, e o ângulo de impacto pode ter um impacto significativo no tamanho das rebarbas e nas áreas de deformação. Se uma zona de alta tensão se estender ao longo da zona de deformação da borda até o interior do material, a estrutura granular nessas áreas inevitavelmente sofrerá alterações correspondentes, torcendo-se ou fraturando-se, e ocorrerá um alongamento extremo do contorno ao longo da direção de ruptura. Nesse momento, a densidade de contornos de grão na zona de tensão na direção de cisalhamento aumentará inevitavelmente, levando a um aumento correspondente na perda de ferro dentro da região. Assim, nesse ponto, o material na área de tensão pode ser considerado um material de alta perda que se sobrepõe à laminação comum ao longo da borda de impacto. Dessa forma, a constante real do material da borda pode ser determinada, e a perda real da borda de impacto pode ser determinada com mais precisão usando o modelo de perda de ferro.
1. A influência do processo de recozimento na perda de ferro
As principais influências nas perdas por corrosão no ferro estão relacionadas às chapas de aço silício, e as tensões mecânicas e térmicas afetam essas chapas, alterando suas características. O aumento da tensão mecânica leva a alterações nas perdas por corrosão no ferro. Ao mesmo tempo, o aumento contínuo da temperatura interna do motor também contribui para o surgimento de problemas de perda por corrosão no ferro. A adoção de medidas eficazes de recozimento para eliminar a tensão mecânica adicional terá um efeito benéfico na redução das perdas por corrosão no ferro dentro do motor.

2. Razões para perdas excessivas em processos de fabricação

As chapas de aço silício, principal material magnético para motores, têm um impacto significativo no desempenho do motor devido à sua conformidade com os requisitos de projeto. Além disso, o desempenho de chapas de aço silício da mesma classe pode variar entre diferentes fabricantes. Ao selecionar materiais, deve-se priorizar a escolha de materiais de fabricantes de aço silício de boa reputação. Abaixo estão alguns fatores-chave que afetaram o consumo de ferro e que foram observados anteriormente.

A chapa de aço silício não foi isolada ou tratada adequadamente. Esse tipo de problema pode ser detectado durante o processo de teste das chapas de aço silício, mas nem todos os fabricantes de motores possuem esse equipamento de teste, e esse problema muitas vezes não é devidamente reconhecido por eles.

Isolamento danificado entre as lâminas ou curto-circuitos entre elas. Esse tipo de problema ocorre durante o processo de fabricação do núcleo de ferro. Se a pressão durante a laminação do núcleo for muito alta, pode danificar o isolamento entre as lâminas; ou se as rebarbas forem muito grandes após a estampagem, podem ser removidas por polimento, resultando em sérios danos ao isolamento da superfície estampada; após a conclusão da laminação do núcleo, o sulco pode não ficar liso, sendo necessário o uso de limagem; ou, devido a fatores como furo do estator irregular e não concentricidade entre o furo do estator e a borda da sede da máquina, pode ser necessário o torneamento para correção. O uso convencional desses processos de produção e processamento de motores tem um impacto significativo no desempenho do motor, especialmente nas perdas no ferro.

Ao utilizar métodos como queima ou aquecimento elétrico para desmontar o enrolamento, o núcleo de ferro pode superaquecer, resultando em diminuição da condutividade magnética e danos ao isolamento entre as lâminas. Esse problema ocorre principalmente durante o reparo de enrolamentos e motores durante o processo de produção e fabricação.

A soldagem em pilha e outros processos também podem causar danos ao isolamento entre as pilhas, aumentando as perdas por correntes parasitas.
Peso insuficiente do núcleo de ferro e compactação incompleta entre as chapas. O resultado final é que o peso do núcleo de ferro é insuficiente, e a consequência mais direta é que a corrente excede a tolerância, podendo também ocorrer perda de ferro acima do padrão.
A camada de revestimento na chapa de aço silício é muito espessa, causando a saturação excessiva do circuito magnético. Nesse caso, a curva de relação entre corrente e tensão em vazio fica severamente distorcida. Este é também um elemento crucial no processo de produção e processamento de chapas de aço silício.

Durante a produção e o processamento de núcleos de ferro, a orientação dos grãos da chapa de aço silício durante a punção e a fixação por cisalhamento pode ser danificada, levando a um aumento nas perdas no ferro sob a mesma indução magnética. Para motores de frequência variável, perdas adicionais no ferro causadas por harmônicos também devem ser consideradas. Este é um fator que deve ser levado em conta de forma abrangente no processo de projeto.

Além dos fatores mencionados, o valor de projeto das perdas no núcleo do motor deve ser baseado na produção e no processamento reais do núcleo de ferro, e todos os esforços devem ser feitos para garantir que o valor teórico corresponda ao valor real. As curvas características fornecidas pelos fornecedores de materiais geralmente são medidas usando o método da bobina quadrada de Epstein, mas a direção da magnetização de diferentes partes do motor é diferente, e essa perda rotativa específica no núcleo não pode ser considerada atualmente. Isso pode levar a vários graus de inconsistência entre os valores calculados e medidos.

Métodos para reduzir a perda de ferro em projetos de engenharia
Existem muitas maneiras de reduzir o consumo de ferro na engenharia, e o mais importante é adequar a solução à situação. Claro que não se trata apenas do consumo de ferro, mas também de outras perdas. A maneira mais fundamental é conhecer as causas das altas perdas de ferro, como alta densidade magnética, alta frequência ou saturação local excessiva. Naturalmente, é necessário, por um lado, aproximar-se o máximo possível da realidade por meio da simulação e, por outro, combinar o processo com a tecnologia para reduzir o consumo adicional de ferro. O método mais comum é aumentar o uso de chapas de aço silício de alta qualidade e, independentemente do custo, pode-se optar pelo aço silício super-resistente importado. É claro que o desenvolvimento de novas tecnologias de energia no mercado interno também impulsionou o desenvolvimento nos setores de produção e distribuição. As siderúrgicas nacionais também estão lançando produtos especializados em aço silício. A Genealogy possui uma boa classificação de produtos para diferentes cenários de aplicação. Aqui estão alguns métodos simples para lidar com isso:

1. Otimizar o circuito magnético

Otimizar o circuito magnético, mais precisamente, significa otimizar a senoide do campo magnético. Isso é crucial, não apenas para motores de indução de frequência fixa, mas também para motores de indução de frequência variável e motores síncronos. Quando eu trabalhava na indústria de máquinas têxteis, construí dois motores com desempenhos diferentes para reduzir custos. Obviamente, o fator mais importante era a presença ou ausência de polos inclinados, o que resultava em características sinusoidais inconsistentes do campo magnético no entreferro. Devido à operação em altas velocidades, as perdas no ferro representam uma grande proporção, resultando em uma diferença significativa nas perdas entre os dois motores. Finalmente, após alguns cálculos inversos, a diferença nas perdas no ferro do motor sob o algoritmo de controle aumentou mais que o dobro. Isso também serve de alerta para a importância de combinar algoritmos de controle ao projetar motores de controle de velocidade de frequência variável.

2. Reduzir a densidade magnética
Aumentar o comprimento do núcleo de ferro ou aumentar a área de condutividade magnética do circuito magnético reduz a densidade do fluxo magnético, mas a quantidade de ferro utilizada no motor aumenta correspondentemente;

3. Reduzir a espessura das aparas de ferro para diminuir a perda de corrente induzida.
A substituição de chapas de aço silício laminadas a quente por chapas de aço silício laminadas a frio pode reduzir a espessura das chapas de aço silício, mas as finas aparas de ferro aumentarão a quantidade de aparas de ferro e os custos de fabricação do motor;

4. Adoção de chapas de aço silício laminadas a frio com boa condutividade magnética para reduzir a perda por histerese;
5. Adoção de revestimento isolante de alto desempenho com partículas de ferro;
6. Tratamento térmico e tecnologia de fabricação
A tensão residual após o processamento de cavacos de ferro pode afetar seriamente as perdas do motor. No processamento de chapas de aço silício, a direção de corte e a tensão de cisalhamento da punção têm um impacto significativo nas perdas do núcleo de ferro. O corte na direção de laminação da chapa de aço silício e a realização de tratamento térmico na chapa podem reduzir as perdas em 10% a 20%.