75 kW鑄銅轉子超高效異步電動機的設計與分析

田井呈, 趙朝會， 俞志君, 張學軍

(1．上海磁雷革傳動系統有限公司， 上海 201801； 2. 上海電機學院 電氣學院，上海 201306； 3. 江蘇遠東電機制造有限公司， 江蘇 泰州 225500)

75 kW鑄銅轉子超高效異步電動機的設計與分析

田井呈1, 趙朝會2， 俞志君3, 張學軍3

(1．上海磁雷革傳動系統有限公司， 上海 201801； 2. 上海電機學院 電氣學院，上海 201306； 3. 江蘇遠東電機制造有限公司， 江蘇 泰州 225500)

超高效鑄銅轉子異步電動機的設計是當下普遍關注的研究熱點?；陔妱訖C設計的基本原理及其計算方法，利用單、雙層混合式不等匝繞組理論，設計了一臺75 kW兩極鑄銅轉子三相異步電動機。測試結果表明：電動機的效率達到94.94%，且其他各項性能參數均滿足IE3超高效異步電動機標準的相關要求，對大功率鑄銅轉子異步電動機的研究和設計具有一定的參考價值。

異步電動機； 超高效； 鑄銅轉子

鋁的電導率約為銅電導率的60%，故對采用鑄銅轉子代替傳統的鑄鋁轉子以提升異步電動機運行效率的設計方法的研究，一直以來都是高效異步電動機研究領域關注的焦點。

文獻[1]中針對鑄銅轉子模具材料的使用特點和性能進行了探討，并闡述了基于鎳基合金模具的鑄銅轉子澆注方案，對采用不同模具鑄造的銅轉子電動機進行試驗測試，結果表明，鑄銅轉子電動機的整體效率比傳統鑄鋁轉子電動機的效率高1.2%～1.6%，具有較好的節能效果，同時也證明了鎳基合金模具在鑄銅轉子技術上的可行性。

根據異步電動機的機械特性可知，若單純采用鑄銅轉子代替鑄鋁轉子，盡管電動機的效率得到了提升，但其啟動轉矩將會有所降低，啟動能力將減弱。針對這一問題，文獻[2]中對一臺礦用22 kW鑄銅轉子異步電動機的定、轉子槽型進行了優化設計，最終采用槽口窄而深的轉子槽型方案，樣機試驗結果表明，優化后電動機的各項性能均滿足GB/T 2722-2008 《YX3系列(IP55)高效率三相異步電動機技術條件》[3]的各項要求。這表明采取合理的設計方式可解決鑄銅轉子電動機啟動能力弱的問題。

研究資料顯示[4-5]，通過對鑄銅轉子電動機的設計參數、使用材料、加工工藝等進行適當調整，可進一步提升電動機的效率。此外，也可以采取另外一種設計思路，即對于同一臺電動機，在保持效率不變的情況下適當減小電動機的體積，提高其功率密度，節省制造成本。由于采用鑄銅轉子后電動機的損耗減少，使得其溫升下降，故可對電動機的散熱系統進行簡化設計。如，對于大量使用的扇冷式異步電動機，可減小其風扇尺寸，以降低風摩損耗和機械損耗，進一步提升電動機的效率[6]。

對于鑄銅轉子異步電動機使用中的經濟性問題，文獻[7]中在進行了詳細分析和計算后表明：一臺 5.5 kW、2極超高效率三相異步電動機的投資成本回收期僅為10個月，即購買一臺超高效率三相異步電動機所增加的成本在不到一年的時間內， 就可以通過電費的節約收回，這表明鑄銅轉子超高效異步電動機的制造和使用不會受到經濟性方面的制約。

綜上所述，研究者們主要著眼于37 kW及以下小型異步電動機的設計和研究。而對有關更高功率的中、大型鑄銅轉子異步電動機的討論則較少。此外，對于在鑄銅轉子電動機上采用特殊定子繞組設計方案的研究也鮮見發表。

本文基于電動機設計的基本原理及其計算方法，利用單、雙層混合式不等匝繞組理論，對一臺原中心高為250 mm的55 kW異步電動機進行改型，設計了一臺75 kW 2極鑄銅轉子三相異步電動機，并對樣機進行了測試。結果表明，電動機的各項性能參數均滿足IE3超高效異步電動機標準的相關要求。

1 75 kW鑄銅轉子異步電動機的設計

1.1 基本尺寸參數確定

電動機的基本設計公式為[8]

(1)

(2)

電動機采用Y2系列中心高250 mm、55 kW、2極異步電動機定、轉子沖片，沖片形狀如圖1所示。定子槽型為梨形槽，轉子槽型為半凸形槽。

圖1 電動機定、轉子沖片形狀

由于是在原有機型上的改進設計，且按照IE3標準中的相關指標進行考核，故式(1)、(2)中的參數數值已基本確定，只需對電動機的繞組、鐵芯有效長度以及一些系數進行調整，以取得所需的電動機性能指標。采取這樣的設計方式是為了盡可能減少電動機的制造加工過程以及成本投入，有利于系列電動機的設計和市場推廣。此外，機械損耗按照55 kW額定輸出功率的1.4%選取，雜散損耗參照文獻[9]，取為75 kW額定輸出功率的1%。

1.2 繞組型式選取

異步電動機的定子繞組一般為雙層繞組，單層繞組主要運用于小型異步電動機的設計中。為產生對稱的旋轉磁場，三相繞組對稱地分布于定子圓周上，相與相之間相差120°機械角度。本例中，定子槽數Z=36槽，電動機極對數p=2，則每極每相槽數為

(3)

本例中q=6，即每一極下，每一相繞組占6個槽。由對稱繞組所產生的旋轉磁場特性可知，旋轉磁場僅與繞組中所流過電流的方向和大小有關，而與繞組端部的鏈接方式關系不大。其中，疊繞組由于下線工藝簡單、電磁性能好，被廣泛運用于異步電動機的設計中。圖2所示為原電動機的繞組設計方案，圖中給出了A相繞組的排列方式，箭頭所指為其中一極下A相繞組的局部放大視圖。每一個線圈的跨距相同，均為15個槽距，也稱為等節距繞組或短距繞組。

圖2 雙層疊繞組方案

圖3中的繞組排列方式與原繞組方案相比，q不變，僅改變線圈端部的連接方式，每一極相組的6個線圈節距不同，為同心式線圈。與原方案相比，本例繞組方案端部的平均用銅量減少了，多用于電動機的節能降本設計。由于這種繞組中既有單層槽，也有雙層槽，故一般稱為單、雙層混合式繞組。關于單雙層混合式繞組的排列形式及其計算方法可參考文獻[10]。對于本例電動機，q=6，圖3中箭頭所指的繞組局部放大視圖中，A相一個磁極的6個槽，中間兩槽為單層槽，兩邊分別為4個雙層半槽，有效總槽數不變，仍為6槽，故稱為4-2-4型單雙層混合繞組方案。

圖3 單雙層混合同心式繞組方案

1.3 單雙層混合繞組線圈不等匝設計

為改善磁場波形，獲得較好的正弦性，可對繞組各線圈的匝數進行相應地調整，即不等匝數設計。在滿足槽滿率基本相同的情況下，這樣的設計方式可減少繞組相帶諧波，提高繞組系數和電動機性能指標。本例選取1個單層槽和相鄰的4個雙層半槽的實際匝數比[11]為13∶9∶8∶6∶5，繞組系數為

(4)

(5)

式中，Ni為匝數分布，i=1,2,…,q；α1為槽距電角度；v為諧波次數。

本例中，N6=0，每一極相組各槽實際匝數分別為13、14、14、14、14、13，槽滿率分別為68.93、74.23、74.23、74.23、74.23、68.93，槽滿率基本相同，不影響槽利用率。

2 設計參數對電動機性能的影響

2.1 鐵芯長度

通過上述電動機定、轉子沖片結構和電樞繞組排列形式的確定，整個電動機的基本結構已確定。由式(1)可知，要在原55 kW電動機結構的基礎上增大其輸出功率，提高其功率密度，則電動機的電負荷和磁負荷都會增大，銅耗與鐵耗均會有不同程度的增加，從而使電動機的效率下降。為解決這一問題，可適當增加定、轉子的鐵芯長度，以調節電負荷和磁負荷的大小，控制電動機的損耗。

如圖4所示，原電動機鐵芯長度為190 mm，隨著鐵芯長度的增加，電動機定子銅耗、鐵耗都呈下降趨勢，且隨鐵芯長度的增加，定子銅耗的下降更明顯；而鐵耗的下降較為平緩，電動機效率呈增長趨勢。考慮到電動機機座的設計要求，鐵芯不可能無限制地增加，且鐵芯增加到一定程度，鐵耗占比將增大，電動機的效率將下降，故鐵芯長度控制在240 mm左右，留5 mm的裕量。

圖4 鐵芯長度對電動機性能的影響

2.2 端環軸向高度

轉子端環是連接轉子導體回路不可缺少的一部分，作為感應電流的流通路徑，端環的設計直接影響轉子電阻的大小，關系到電動機的效率和啟動性能。由

(5)

可知，Rr的大小與端環中電流流過的截面積和流通路徑長度有關。式中，Rr為端環電阻值；L為端環軸向等效長度；S為端環截面積；Ha為端環軸向高度；Hr為端環徑向高度；ρ為轉子端環電阻率。

其中，L由整個轉子圓周長決定，而S由轉子槽深和Ha的乘積決定。本例中，轉子槽面積和轉子圓周的尺寸均已確定，故端環的設計主要是針對Ha的合理控制。

如圖5所示，在電動機的其他設計參數不作變動的情況下，隨著Ha的增加，端環路徑中電流流過的截面積增加，電流密度減小，轉子電阻減小，導致轉子銅耗減小，使電動機效率增加，但其啟動轉矩有所減小。當轉子的Ha增加到一定程度時，端環電流密度的減小趨于平緩，轉子銅耗的減小也趨于平緩；此時，啟動轉矩的減小已不太明顯，效率增加的幅度也趨于平緩。同時，對于端環的設計，除了上述需考慮的因素外，還需考慮材料的利用率，盲目增加Ha的方法不可取，需將其控制在合理范圍內。

圖5 端環軸向高度對電動機性能的影響

3 設計結果分析

3.1 電動機機械特性對比

圖6所示為三相異步電動機較近似的等效電路圖[13]。

圖6 三相異步電動機等效電路圖

由圖可得：

(6)

利用式(6)對電動機不同運行點進行計算，可得到其機械性能指標：啟動電流倍數、啟動轉矩倍數、最大轉矩倍數。鑄銅轉子與鑄鋁轉子電動機的機械性能數據如圖7所示。與鑄鋁轉子電動機相比，由于銅的電導率較大，故鑄銅轉子電動機的轉子總電阻減小，啟動性能較差，即啟動轉矩較小，啟動電流較大，但其最大轉矩倍數略大，即過載能力略強。

圖7 機械性能對比

3.2 電動機工作性能對比

上述分析與計算針對的是額定運行時電動機相關參數的計算，但實際運行中，電動機并不一直保持額定運行狀態，受負荷波動影響，電動機運行在一定范圍的輕載和過載狀態。因此，有必要對電動機在不同運行狀態下的效率進行計算，以獲得較為合理的設計結果。

如圖8所示為不同輸出功率下鑄銅轉子與鑄鋁轉子電動機的效率變化曲線。在整個負載范圍內，鑄銅轉子電動機的效率均比鑄鋁轉子電動機的效率高。此外，由圖可知，本例電動機額定輸出功率為75 kW時，其效率并不是最高點，而是隨著輸出功率的增加，其效率還具有提升空間，還可進一步增大電動機的輸出功率等級。

3.3 樣機測試結果分析

最終制造的樣機實物如圖9所示。電動機中心高為250 mm，采用原55 kW電動機機座，圖中左側所示為未裝配的鑄銅轉子，與鑄鋁轉子相比，省卻了端環上的風葉，可進一步降低電動機的風阻損耗。

圖8 效率—輸出功率性能對比

Fig.8 Efficiency—output power comparison

圖9 樣機與鑄銅轉子實物圖

該電動機主要性能指標的測試結果如表1所示。由表可知，除啟動性能參數需吃標準容差之外，電動機的效率、過載能力均超出標準保證值，功率因數達到標準保證值。

表1 設計數據對比

3.4 鑄銅轉子電動機經濟性分析

采用鑄銅轉子后，由于銅的價格高于鋁，且鑄銅工藝本身的復雜性，使得鑄銅轉子電動機的價格普遍比傳統鑄鋁電動機高，這是當下制約鑄銅轉子超高效異步電動機市場推廣的主要原因。

經綜合核算，本例電動機的價格與Y2系列75 kW同等功率等級的鑄鋁轉子電動機相比，高出約2 000元。若該電動機年運行時間為4 000 h，電費按0.50元/(kW·h)計，原電動機的效率按Y2標準值計，則投資成本回收期為

(7)

可得電動機的投資成本回收期約為7個月，即購買該電動機7個月后，可將增加的成本收回，且隨著電動機年運行時間的延長，回收期將越短。由此可知，本例電動機不僅節能效果顯著，且經濟性能良好，便于推廣。

4 結 論

本文基于電動機設計的基本原理及計算方法，利用單、雙層混合式不等匝繞組理論，對一臺原55 kW 2極鑄鋁轉子三相異步電動機利用鑄銅轉子技術進行改進設計。通過計算和試驗，得到如下3個重要結論：

(1)電動機的額定輸出功率達到75 kW，降低了一個機座號，提高了電動機的功率密度；

(2)實測電動機效率達到94.94%，且其他各項性能參數均滿足IE3超高效異步電動機標準的相關要求；

(3)經核算，電動機的投資成本回收期僅為7個月，經濟性能良好，便于市場推廣。

相關的計算和分析方法對于大功率鑄銅轉子超高效節能異步電動機的設計和推廣均具有重要的意義。

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Design and Analysis of 75 kW Super High Efficiency Induction Motor with Die-Cast Copper Rotor

TIANJingcheng1,ZHAOChaohui2,YUZhijun3,ZHANGXuejun3

(1．Magelec Propulsion Co.,Ltd., Shanghai 201801, China; 2. School of Electric Engineering,Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China; 3. Jiangsu Yuandong Motor Manufacturing Co., Ltd., Taizhou 225500 Jiangsu, China)

The design of super high efficiency asynchronous motor is attracting much attention. Based on the basic principle of motor design, a 75 kW three phase asynchronous motor with a two-pole die-cast copper rotor was designed use un-equal turns type winding. Test results show that the motor’s efficiency reached 94.94%, and all performance parameters satisfied the IE3 standard for super high efficiency asynchronous motors. This work can serve as a reference for the design and research of high power induction motors with a die-cast copper rotor.

asynchronous motor; super high efficiency; die-cast copper rotor

2017 -02 -25

上海市教育委員會科技創新重點項目資助(13AZ01)

田井呈(1990-)，男，主要研究方向為電機設計及其多物理場仿真，E-mail: 526837119@qq.com

2095 - 0020(2017)02 -0114 - 06

TM 343.2

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