YE3系列三相異步電動機能效達標措施

2018-04-12 08:31:33陳兆先李學生申保金楊麗斐

現代礦業 2018年3期

陳兆先　李學生　申保金　楊麗斐

(中鋼集團安徽天源科技股份有限公司)

電動機拖動空壓機、水泵、機床、風機等各種旋轉機械設備，在我國工業、農業、交通、家用電器等領域應用十分的廣泛。電動機消耗的電能占全國用電量的大部分。據統計測算，2011年我國各類電動機保有量約為17億kW，總耗電量約達3萬億kWh以上，約占全國用電量的64%[1]。隨著能源形勢和環境問題的日益嚴峻，我國開展了節能減排工作，國家在十三五規劃中對節能減排提出了具體要求。實現節能減排可從電動機入手，電動機未來將朝著高效節能的方向發展，用YE3系列高效三相異步電動機代替傳統的高能耗電動機，不但能降低企業用電成本，還能促進節能減排工作的開展，意義重大。

1　選擇合適的沖片槽型

三相異步電動機的定子銅損耗Pcu1約占總損耗的28%，主要是電機運行時定子繞組的電阻損耗。定子銅損耗的計算公式為[2]：

(1)

式中，I1為定子電流；R1為繞組的直流電阻。

直流電阻計算公式為[3]：

(2)

式中，l為繞組導體的長度；Ac為繞組導體的截面積；ρ為繞組導體材料的電阻率。

由公式(1)和(2)可知，定子銅損耗與定子電流和繞組的直流電阻有關。繞組的直流電阻與繞組導體的截面積成反比、與繞組導體材料的電阻率和繞組導體的長度成正比，因此可通過采取增加繞組導體的截面積減小繞組的直流電阻。繞組導體的截面積的增加，會導致繞組的槽滿率增加，槽滿率過高不利于嵌線，這時需要放大原來的槽型，將槽滿率維持在一個最佳值。繞組導體的截面積增加，將使定子電流密度降低，繞組溫升與原來相比會減小，而繞組導體材料的電阻率隨著溫度升高而增大，繞組的直流電阻將會隨著繞組溫升減小而減小，因此增大繞組導體的截面積，可減小繞組的直流電阻，進一步降低定子銅損耗，最終提高三相異步電動機的效率。

YE3系列高效三相異步電動機從H80到H355機座號有上百種規格，如果將YE3系列高效三相異步電動機所有沖片模具都開出來，即使開的是復合模，也要500～600萬元，對于中小型電機廠來說投入太大。為了減少開模費用的投入，可借用已有的國標系列沖片槽型來設計YE3系列高效三相異步電動機。有很多專業生產鐵心的廠家把國標Y2、YX3、YB3系列全套定轉子沖片模具已開好，在訂購鐵心時，只要指定好已有的沖片槽型、鐵心材質以及鐵心的長度即可，不需重新開模具。通過分析Y2系列、YX3系列、YB3系列定轉子沖片的槽型，得出YB3系列槽型最大、YX3系列其次、Y2系列最小。對這3個系列定轉子沖片槽型分別進行了電磁計算及樣機試驗，經過電動機成本和效率對比，得出YX3系列電動機槽型最適合做YE3系列高效三相異步電動機的槽型。

2　控制生產工藝

(1)減小繞組端部的長度。由式(1)和(2)可知，定子銅損耗與繞組導體的長度成正比，定子繞組端部長度占繞組總長度的1/4～1/2，這樣端部直流電阻值將占總電阻值的1/4～1/2，在實際生產過程中通過優化繞線模具，減少繞組端部長度，可減少繞組直流電阻，從而進一步減少定子銅損耗，提高三相異步電動機的效率。

(2)控制好定轉子鐵心錯位尺寸。三相異步電動機的定子鐵心和轉子鐵心錯位，等效為定轉子鐵心長度減小，定轉子鐵心長度減小，使磁通密度增加，引起勵磁電流增大，功率因素降低，最終使電動機的定子電流增大，定子損銅耗增加，效率降低。為了使YE3系列高效三相異步電動機效率達標，必須縮小定、轉子鐵心錯位尺寸。有繞組定子鐵心壓入機殼的尺寸比較容易控制，不需考慮原來電動機軸采用的光軸，在熱套時鑄鋁轉子的熱套尺寸不易控制，為控制好鑄鋁轉子的熱套尺寸，制造一些專用的限位工裝，這樣便可縮小定轉子鐵心錯位尺寸。

3　控制沖片的材質

鐵損耗約占總損耗的22%，主要為鐵心中因主磁通交變引起磁滯損耗及渦流損耗，常按下式計算基本鐵損耗PFe[4]：

(3)

式中，P1.0/50為當B=796.17 kA/m、f=50 Hz時，硅鋼片單位質量內的損耗(W/kg)；B為鐵心磁通密度；f為磁通交變頻率；GFe為受交變磁化作用的硅鋼片質量；K為經驗系數，考慮鐵心加工、磁通密度分布不均勻等因素使鐵損耗增加的修正系數。

通過公式(3)可知，三相異步電動機的基本鐵損耗與鐵心所用材料的單位損耗、鐵心磁通密度、受交變磁化作用的硅鋼片質量有關。YE2系列三相異步電動機在設計時采用的是50DW600硅鋼片，在設計YE3系列高效三相異步電動機時，為了降低鐵耗，應選擇單位質量鐵損值更低的硅鋼片。

根據定子銅損耗計算公式(1)可知，減小定子電流可減少繞組銅損耗。由電機學理論可知：定子電流可以分解為負載電流和勵磁電流，負載電流產生軸上的功率和各種損耗，勵磁電流產生磁通。YE3系列高效三相異步電動機硅鋼片的合理選擇尤其重要，在設計高效電動機時，應考慮采用導磁性能好的硅鋼片。B50表示的是磁化場為5 kA/m時的磁感應強度，其值為硅鋼片的導磁能力，硅鋼片的導磁能力越強，在相同磁通密度下，B50值越大，產生激磁電流越小，定子電流的無功分量少，功率因數提高，定子電流小，定子銅損耗少。P1.5/50表示當B=1 194.27 kA/m、f=50 Hz時，硅鋼片單位質量內的損耗，在相同磁通密度和磁通交變頻率下，P1.5/50值越小，鐵心的鐵損耗越低。

硅鋼片國標性能參數與鋼廠實際值相差很大，國標[5]規定50DW470的P1.5/50值為4.7 W/kg，B50值為1 305.73 kA/m，例如武鋼生產的50WW470硅鋼片P1.5/50值為3.25 W/kg，B50值為1 353.50 kA/m。武鋼生產的硅鋼片的鐵損值比國標值小了30.85%，武鋼生產的硅鋼片的磁感應強度大了3.66%。因此，在采購鐵心時，不但要指定硅鋼片的牌號，還要將硅鋼片的鐵損值P1.5/50和磁通密度值B50做出明確規定。

4　確定定轉子銅損耗、風摩損耗和溫升三者之間的最佳關系

定轉子銅損耗隨電動機溫升升高而增大，而電動機的溫升隨著電動機風扇加大而減小，電動機風摩損隨著風扇加大而增大，在原來YX3系列三相異步電動機設計過程中，通過減小風扇尺寸，來減小風摩損耗的方法，在YE3系列三相異步電動機的設計中不一定適用。為了提高電動機的效率，必須確定好定轉子銅損耗、風摩損耗和電動機風扇大小三者之間的最佳關系。為此，在YE3系列高效三相異步電動機能效達標的過程中，進行了一系列對比試驗，研究三相異步電動機的效率和溫升、風摩損耗之間的關系。

Y2系列風扇的直徑和葉片面積都比YX3系列風扇大，為了研究電動機的效率和溫升、風摩損耗之間的內在聯系，用YE3-90S-6、YE3-90L-2、YE3-100L2-4、YE3-112M-2、YE3-132S1-2、YE3-160L-6、YE3-180M-4、YE3-280M-6分別安裝YX3和Y2的風扇進行型式試驗，具體試驗數據見表1。

由表1可知，YE3-90S-6、YE3-90L-2、YE3-100L2-4使用Y2風葉的效率比使用YX3風葉的效率分別提高了0.81、0.67、0.45個百分點。YE3-112M-2、YE3-132S1-2、YE3-160L-6、YE3-180M-4、YE3-280M-6使用Y2風葉的效率比使用YX3風葉的效率分別下降了0.23、0.27、0.17、0.19、0.16個百分點。YE3-90S-6、YE3-90L-2、YE3-100L2-4三款電動機使用Y2系列風葉，雖然風摩損耗增大了，但隨著溫升下降定轉子銅損耗也下降，這三款電動機定轉子銅損耗下降幅度，要大于風扇增大引起的風摩擦損耗的增量，所以最終效率得到了提高。相反YE3-112M-2、YE3-132S1-2、YE3-160L-6、YE3-180M-4、YE3-280M-6五款電動機定轉子銅損耗下降的幅度小于風扇增大引起的風摩損耗的增量，所以最終效率下降。綜上所述，YE3系列高效三相異步電動機H112以下機座號采用Y2系列風葉，H112及以上機座號采用YX3系列風葉。

表1　YX3風扇和Y2風扇的對比試驗

5　降低雜散損耗

三相異步電動機除定轉子銅損耗、鐵損耗、風摩損耗以外的損耗統稱雜散損耗，雜散損耗主要有由負載電流引起的氣隙諧波磁通，在定轉子鐵心中產生的表面損耗和脈振損耗、轉子感應諧波電流產生的損耗、斜槽籠型轉子導條間橫向電流損耗等[2]。雜散損耗與定轉子之間氣隙的1.5次方有關，隨著氣隙的增加而減小。因此，可以通過放大定轉子之間的氣隙來減少三相異步電動機的雜散損耗，進一步提高三相異步電動機的效率。但是三相異步電動機氣隙放大會使其勵磁電流和空載電流增大，而功率因素正比于空載電流和額定電流之比，隨著氣隙的放大，功率因素會減小，最終引起定子電流增加，電流增加以后定子銅損耗又升高，并且對雜散損耗還有一定的負面影響。在放大氣隙的同時，要綜合考慮各參數之間的變化。

為了驗證適當的放大氣隙，可減小三相異步電動機的雜散損耗，進一步提高三相異步電動機的效率，采用6個規格的三相異步電動機，分別在放大氣隙前和放大氣隙后進行了型式試驗，具體數據見表2。通過表2可以得出，適當放大氣隙可以降低三相異步電動機的雜散損耗，可進一步提高YE3系列高效三相異步電動機的效率。

6　結　語

在YE3系列高效三相異步電動機的能效達標工作過程中，通過樣機的試制和關鍵性技術的研究，確定了最適合做YE3系列高效三相異步電動機的定轉子沖片規格、牌號、槽型，確定了YE3系列高效三相異步電動機風扇類型，確定了YE3系列高效三相異步電動機定轉子之間的氣隙尺寸，為生產能效達標的全系列YE3系列高效電動機探索出了最佳的工藝條件。