高效電機(jī)設(shè)計(jì)方法的研究

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(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

由于電機(jī)系統(tǒng)耗電在世界各國(guó)均占有相當(dāng)大的比重，隨著能源形勢(shì)的日益緊張，世界各國(guó)均開展了電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工作。我國(guó)電機(jī)保有量17億千瓦，消耗社會(huì)用電量的60%～70%，國(guó)家在十二五規(guī)劃中，對(duì)節(jié)能減排目標(biāo)提出了具體要求。

本文對(duì)影響電機(jī)效率的五大損耗進(jìn)行了系統(tǒng)分析，針對(duì)不同損耗的特點(diǎn)提出了具體的措施來提高電機(jī)的效率，并進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究，總結(jié)出了開發(fā)高效電機(jī)的方法。

1 高效電機(jī)性能分析

1.1 減小電機(jī)損耗的措施與方法

(1)減小電機(jī)銅耗的措施。

定子側(cè)銅耗與定子電流和繞組的電阻有關(guān)，常用的方法就是增加繞組截面積以減小繞線電阻，減小電密，這種方法要受到槽滿率等多方面的制衡。所以進(jìn)行高效節(jié)能電機(jī)研制時(shí)，部分規(guī)格放大了沖片外徑[1]，目的就是增加槽面積可以放下更多的銅線。另外，還可通過改進(jìn)繞組的端部設(shè)計(jì)，減小端部的長(zhǎng)度來減小整個(gè)繞組的電阻。

目前大部分電機(jī)都是鑄鋁轉(zhuǎn)子。銅的電導(dǎo)率要比鋁高，鑄銅轉(zhuǎn)子的電機(jī)理論上轉(zhuǎn)子損耗可以下降38%[2]。采用鑄銅轉(zhuǎn)子的電機(jī)可以極大地提高電機(jī)效率。

(2)減小鐵耗的措施

減小鐵耗最常用的辦法就是采用磁導(dǎo)率高、損耗低的優(yōu)質(zhì)硅鋼片。另外，硅鋼片的厚度是影響電機(jī)鐵耗的重要因素之一，國(guó)內(nèi)主流的硅鋼片都是0.5mm厚，而國(guó)外的產(chǎn)品很多開始采用0.35mm甚至0.27mm厚的硅鋼片。隨著硅鋼片厚度的減小，磁性能也有提升。

減小電機(jī)的鐵耗除了合理設(shè)計(jì)電機(jī)的磁路外，還要考慮電機(jī)鐵心制造工藝的影響。一般硅鋼片加工成鐵心壓入機(jī)座后鐵耗大幅度增加，目前常用的沖片退火工藝是在沖片沖剪之后進(jìn)行退火處理，以消除應(yīng)力，恢復(fù)冷軋硅鋼片的良好性能，對(duì)降低鐵耗起到了很好的作用。

(3)減小機(jī)械損耗的措施

機(jī)械損耗分為通風(fēng)損耗和摩擦損耗。通過優(yōu)化風(fēng)路結(jié)構(gòu)，改進(jìn)風(fēng)扇及風(fēng)罩的設(shè)計(jì)可以有效地降低通風(fēng)損耗；摩擦損耗可以通過采用優(yōu)質(zhì)低摩擦軸承和低摩擦潤(rùn)滑油脂等措施來減小。

(4)減小雜散損耗的措施

雜散損耗可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝等措施來減小。設(shè)計(jì)上采用優(yōu)化氣隙、采用低諧波繞組、優(yōu)化槽配合等；工藝上對(duì)轉(zhuǎn)子槽進(jìn)行絕緣處理來降低轉(zhuǎn)子的高頻橫向電流損耗、用沖出氣隙代替車削氣隙來減小轉(zhuǎn)子表面高頻損耗等[1]。另外，電機(jī)端蓋等實(shí)心零件可以采用非磁性材料來限制漏磁場(chǎng)引起的渦流損耗。

1.2 低諧波繞組技術(shù)的研究

定子繞組的形式?jīng)Q定了繞組的基波分布系數(shù)和諧波含量，對(duì)電機(jī)性能有較大影響[3]。經(jīng)常采用的定子繞組形式有單層繞組和雙層繞組，其中雙層繞組可以采用長(zhǎng)、短距等措施來減小諧波含量。而低諧波繞組可以采用不等繞組匝數(shù)、“△-Y”串聯(lián)等方式來產(chǎn)生接近正弦的氣隙磁通。對(duì)于高效電機(jī)，有必要采用低諧波繞組來改善電機(jī)的磁勢(shì)波形，從而降低電機(jī)雜散損耗。

在低諧波繞組中，雙層同心不等匝繞組下線方便，不需要改變出線形式，具有良好的工藝可實(shí)現(xiàn)性[4]。而且可以節(jié)省銅線，取得節(jié)材和提高效率的雙重效果。不等匝低諧波繞組實(shí)質(zhì)是將槽內(nèi)的導(dǎo)體數(shù)適當(dāng)分配，使槽電流沿鐵心表面按正弦規(guī)律分布，以得到接近于正弦形的磁勢(shì)曲線[4]。下面以每對(duì)極為18槽、q=3的短跨距單元電機(jī)為例說明一下低諧波繞組線圈匝數(shù)比的計(jì)算方法。繞組展開圖如圖1所示。

圖1 q=3單元電機(jī)雙層同心繞組展開圖

當(dāng)A相電流達(dá)到最大時(shí)，基波磁勢(shì)幅值將與A相繞組的軸線重合。假設(shè)某時(shí)刻A相電流達(dá)到最大，即iA=Im，此時(shí)iB=iC=-0.5Im。基波磁勢(shì)波形和電流安匝波形的空間分布如圖2所示。

圖2 基波磁勢(shì)和電流安匝空間分布示意圖

基波磁勢(shì)幅值在A相軸線即5槽和14槽中線上；而電流安匝的幅值在18槽-1槽的中線上。這樣，根據(jù)各槽電流安匝與圖中余弦安匝波一一對(duì)應(yīng)，可以得到如下的方程組

第1槽：N1×iA-N3×iC=I′×sin80°

第2槽：N2×iA-N2×iC=I′×sin60°

第3槽：N3×iA-N1×iC=I′×sin40°

第4槽：-N1×iC-N3×iB=I′×sin20°

第5槽：-N2×iC+N2×iB=0

且iA=-2iB=-2iC=Im

解這個(gè)方程組，就可以得到各個(gè)線圈的匝數(shù)比。據(jù)此，我們編制了基于雙層同心不等匝繞組的電機(jī)設(shè)計(jì)軟件，專門用于低諧波繞組電機(jī)的設(shè)計(jì)。

2 高效電機(jī)設(shè)計(jì)效果的驗(yàn)證

2.1 增加有效材料提高電機(jī)效率

增加有效材料有兩個(gè)方面：一是增加電機(jī)銅、鋁的用量以減小定、轉(zhuǎn)子電阻；二是采用更高性能材料，如采用高性能硅鋼片以減小鐵耗，采用鑄銅轉(zhuǎn)子以減小轉(zhuǎn)子銅耗等。表1是4臺(tái)分別滿足3級(jí)能效和2級(jí)能效的45kW-2電機(jī)的損耗及有效材料使用情況。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，效率的提升主要源于定、轉(zhuǎn)子側(cè)銅耗及鐵耗的減少，其中定子側(cè)銅耗、轉(zhuǎn)子側(cè)銅耗和鐵耗平均減少了20%～30%。結(jié)合表1數(shù)據(jù)和這幾臺(tái)電機(jī)的設(shè)計(jì)制造過程總結(jié)出提高電機(jī)效率的主要采取以下措施。

(1)增加鐵心長(zhǎng)度，增加繞組截面積

45kW電機(jī)3級(jí)能效到2級(jí)能效鐵心長(zhǎng)從200mm增加到230mm，長(zhǎng)度增加了15%。在滿足同樣磁負(fù)荷的情況下，鐵心長(zhǎng)度的增加可以減少電機(jī)的匝數(shù)，從而可以增加單匝線圈的截面積，減少了定子電阻。

(2)采用更高性能硅鋼片

采用了單位鐵損更低、性能更好的硅鋼片，在鐵心長(zhǎng)度增加的情況下，總的鐵耗卻減少了。

(3)擴(kuò)大槽型尺寸，增加銅線和鑄鋁的用量

2級(jí)能效比3級(jí)能效用銅量增加了22.4%，用鋁量增加了6.9%，這直接導(dǎo)致了定、轉(zhuǎn)子電阻的降低。

表1 45kW-2電機(jī)損耗分布和有效材料利用情況

2.2 改進(jìn)工藝提高電機(jī)效率

對(duì)沖出電機(jī)氣隙工藝制作了樣機(jī)，并與普通電機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表2。表2中的4臺(tái)22kW-4樣機(jī)是按照2級(jí)能效(即IE3，93%)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，其中1號(hào)、2號(hào)樣機(jī)采用的是沖出氣隙，3號(hào)、4號(hào)樣機(jī)采用的車削氣隙。從表2中可以看出，1號(hào)、2號(hào)樣機(jī)的雜散損耗大大低于3號(hào)、4號(hào)樣機(jī)的雜散損耗，平均低30%左右，說明直接沖出氣隙的方法對(duì)減少雜散損耗效果明顯。

表2 22kW-4樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

冷軋硅鋼片沖剪后沿沖剪分離線的邊緣由于塑性變形引起了內(nèi)部應(yīng)力的積聚和物理性能的變化，導(dǎo)致冷軋硅鋼片的導(dǎo)磁性能降低、鐵耗增加，這對(duì)充分利用冷軋硅鋼片的優(yōu)良導(dǎo)磁性能帶來了不利因素。選擇合適的退火處理工藝可以消除沖剪應(yīng)力，恢復(fù)冷軋硅鋼片的性能。對(duì)幾個(gè)規(guī)格電機(jī)的沖片退火工藝進(jìn)行了專門的試驗(yàn)研究，性能對(duì)比見表3。通過對(duì)比可以看出，退火的電機(jī)鐵耗要小于未退火的電機(jī)，并且由于硅鋼片磁性能的恢復(fù)，電機(jī)的功率因數(shù)也有所改善。

表3 退火前后電機(jī)性能變化對(duì)比

2.3 采用低諧波繞組提高電機(jī)效率

利用自主開發(fā)的電磁計(jì)算軟件，我們對(duì)幾個(gè)規(guī)格的電機(jī)進(jìn)行了繞組改造。采用雙層同心不等匝繞組后，諧波含量大大減少，以一臺(tái)110kW-4電機(jī)為例，繞組改變前后各次諧波系數(shù)變化情況見表4。從表4中可以看出，采用雙層同心不等匝繞組后，基波系數(shù)為原來的98.8%，變化不大，而其他次諧波系數(shù)均有較大幅度減少。高次諧波含量的減少可以減少電機(jī)的雜散損耗。

表4 不同繞組諧波含量情況

采用同心式繞組后端部可以縮短，節(jié)省了銅線的用量。繞組改造前后用銅量的變化見表5。其中110kW-4電機(jī)的端部沒有刻意縮短，能夠節(jié)省銅線6.3%，而15kW-6電機(jī)和55kW-2電機(jī)縮短了端部的同時(shí)稍微調(diào)節(jié)了線規(guī)，能夠節(jié)約銅線10%左右。

表5 電機(jī)采用不同繞組形式用銅量對(duì)比

采用低諧波繞組的樣機(jī)與普通繞組樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比見表6。通過對(duì)比表6中測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，采用低諧波繞組后，雜散損耗減小了40%～50%，提高效率0.4～0.7個(gè)百分點(diǎn)。通過合理的設(shè)計(jì)將普通繞組換為低諧波繞組，在節(jié)約電機(jī)成本的同時(shí)能夠降低電機(jī)的雜散損耗，提高電機(jī)效率，節(jié)能增效成果十分明顯。

表6 低諧波繞組樣機(jī)與普通繞組樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

2.4 不同措施效果的比較

通過以上理論分析和樣機(jī)的實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，可以看出不同的措施對(duì)于提高電機(jī)效率產(chǎn)生的效果和付出的成本各不相同。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)大部分電機(jī)制造企業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)高效電機(jī)的主要手段就是增加有效材料的利用，隨著電機(jī)能效等級(jí)的不斷提升，這種做法越來越有局限性；直接沖出氣隙工藝能夠大大減小雜散損耗，但是對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心的制造水平要求較高；退火能夠降低電機(jī)的鐵耗但是需要專門的工藝和設(shè)備保障；而用雙層同心低諧波繞組，僅需改變繞組的下線方式，工藝可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，不僅能夠提高效率還能節(jié)省銅線，在高效電機(jī)的試制中效果明顯，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

采用單一的手段可能使某幾個(gè)規(guī)格電機(jī)的效率提高一個(gè)效率等級(jí)，但卻很難將整個(gè)系列提高一個(gè)效率等級(jí)。因此高效電機(jī)的開發(fā)一定是多種手段并用，從設(shè)計(jì)、材料、結(jié)構(gòu)等多方面入手，進(jìn)行全面的優(yōu)化，這樣才能使得各種措施的有效性發(fā)揮到最高。以此為指導(dǎo)，我們逐步開發(fā)出了滿足2級(jí)能效和1級(jí)能效的高效節(jié)能電機(jī)，為國(guó)家的節(jié)能減排做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

[1] 張鳳，顧德軍，葛榮長(zhǎng)，等.符合IEC高效(IE2)、超高效(IE3)效率等級(jí)的電動(dòng)機(jī)降低損耗措施的研究[J].電機(jī)與控制應(yīng)用, 2009, 36，(10)：19-23.

[2] 黃堅(jiān)，李志強(qiáng)，張維，等.鑄銅轉(zhuǎn)子超高效率三相異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研制[C].南京第九屆中國(guó)電機(jī)及系統(tǒng)發(fā)展論壇專題報(bào)告集. 2010.

[3] 湯蘊(yùn)璆，史乃.電機(jī)學(xué)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4] 丁華章.低諧波繞組的原理與計(jì)算[J].中小型電機(jī)，1988，5:4-8