溫升對感應(yīng)電動機效率的影響*

姚 鵬， 王鴻鵠， 葛榮長， 顧德軍， 吳艷紅

(上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司，上海電科電機科技有限公司，上海 200063)

0 引言

國際電工委員會(IEC)于2008年正式發(fā)布了“單速、三相籠型感應(yīng)電動機的能效分級(IE代碼)”標準，將電動機能效分為標準效率IE1、高效率IE2、超高效率IE3三個等級。在標準中規(guī)定:對IE1及以下能效指標的電動機可以采用中和低不確定度的測試方法來測試雜散損耗，對于IE2及以上效率指標的電動機，要采用低不確定度的測試方法，即 IEEE112B 法［1］。

實測電機定子銅耗。在以前的電動機試驗方法(E法)中，定轉(zhuǎn)子損耗推算到繞組電阻的基準溫度進行考核，130(B)級絕緣基準溫度為95℃，155(F)級為115℃。新的試驗方法(IEEE112B法)中，定轉(zhuǎn)子損耗按電機實際溫升加25℃來考核。當130(B)級絕緣電機溫升為70 K、155(F)級絕緣電機溫升為90 K時，兩種試驗方法匹配，而在其他溫升下，兩種試驗方法均不匹配。E法中電機的實際溫升沒有被考慮，即電機風扇產(chǎn)生的風量、風壓和電機溫升沒有被考慮，只考慮了風扇所引起的機械損耗，使用該測試方法，電機風扇的大小與定轉(zhuǎn)子損耗之間沒有直接聯(lián)系。在IEEE112B法中，考慮了電機的實際溫升對效率的影響，為此電機風扇的性能必須予以重視。

我國低壓電機產(chǎn)品Y2、Y3、YX3系列都是以輸入功率的0.5%估算雜散損耗的，用95℃時的定轉(zhuǎn)子損耗計算電機效率。在新的試驗方法下，這些產(chǎn)品很難滿足電機能效標準，必須對電機進行重新設(shè)計。國家科技部于2008年下達了科技支撐計劃“高效、超高效電動機設(shè)計制造技術(shù)及測試技術(shù)研究”任務(wù)，由上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司主持，并組織行業(yè)有關(guān)骨干企業(yè)聯(lián)合研制開發(fā)符合新的IEC能效標準的高效率(IE2)、超高效率(IE3)電動機。

1 通風對機械損耗和散熱的影響

用B法進行電機試驗時，在同樣的負載情況下風扇的通風損耗［2］為

式中:Pf——風扇通風損耗;

PtF——風扇全壓;

Qv——風量;

η——風扇效率。

假定選用同一型式的風扇，即風扇葉片數(shù)、風葉軸面流速相同，風扇的形狀相似，且不考慮風罩影響的情況下，可以得到:

式中:ψt——經(jīng)驗系數(shù);

ρ——空氣密度;

D——風扇外徑;

n——風扇轉(zhuǎn)速;

b——風扇寬。

在假定風扇效率相同時，可以推出如下近似關(guān)系:

式中:S——風扇的風葉面積。

可得到風速與風扇全壓的關(guān)系為

物體表面散熱系數(shù)［3］:

式中:λ——流體導(dǎo)熱系數(shù);

l——電機機座外表面特征尺寸;

Re——雷諾數(shù)，Re=vl/γ;

γ——流體的粘度系數(shù);

Pr——普朗特數(shù)(氣體的普朗特數(shù)一般為0.6～0.7)。

通過以上分析可看出，當電機通風結(jié)構(gòu)不變的情況下，風速越高，則電機表面散熱系數(shù)越大，電機的散熱效果越好。

2 異步電動機損耗分布

要減小電機損耗，提高電機效率，就必須分析電機的損耗分布，找出影響電機效率的主要因素。通過試驗可知小電機的銅耗所占比例很大，最多約可達到總損耗的70%，大規(guī)格異步電機的銅耗比例相對較小。

電機空載時:

式中:U——電機端電壓;

E——相電動勢;

f——電源頻率;

N——每相串聯(lián)匝數(shù);

Φ——每極磁通;

Kdp1——電機繞組系數(shù)。

可以得到:當電機端電壓相同、頻率相同、電機繞組系數(shù)相同時，電機每相串聯(lián)匝數(shù)與每極磁通成反比。小電機體積小，當電機氣隙磁密控制在合理范圍內(nèi)時，小電機磁通相對較少，線圈匝數(shù)較多。再加上繞組線徑受到電機定子槽面積限制，導(dǎo)致小電機的線徑小、匝數(shù)多，相電阻較大，銅耗所占比例也相應(yīng)較大。為得到各電機的損耗分布，選用了不同機座號的6臺樣機做驗證性試驗，試驗結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各型號電動機損耗試驗數(shù)據(jù)

通過試驗結(jié)果可以看出:不同功率電機的損耗主要為定、轉(zhuǎn)子銅耗和鐵耗，且各損耗隨著電機功率的增大而增大。為便于分析損耗變化，將銅耗和鐵耗隨機座號變化的趨勢繪制成曲線，如圖1所示。

圖1 電機銅耗和鐵耗所占百分比

從圖1中可以看到:小電機的定、轉(zhuǎn)子銅耗所占比例較高，隨著中心高的增加，銅耗比例呈下降趨勢，鐵耗比例逐漸上升。

3 溫升對電機效率影響的驗證

由于小電機銅耗所占比例大，在IEEE112B法中定、轉(zhuǎn)子損耗與電機溫升緊密相關(guān)，因此研究小電機的溫升情況，對提高電機效率、有效節(jié)約能源具有重要意義。

電機的鐵耗為不變損耗，其大小與磁場頻率、強度和硅鋼片特性有關(guān)。電機銅耗和鋁耗為可變損耗，采用112B法檢測時與電機的通風結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。在原有風扇基礎(chǔ)上:

(1)當減小電機風扇葉片面積時，電機的機械損耗減小，但是電機的溫升必然提高，則定轉(zhuǎn)子繞組的電阻必然增大，電機銅耗上升，溫升繼續(xù)增大，按此循環(huán)，直至發(fā)熱和散熱達到新的平衡。

(2)當增大電機風扇葉片面積時，電機的機械損耗增大，但是電機的溫升必然下降，則定、轉(zhuǎn)子繞組的電阻必然減小，電機銅耗下降，溫升繼續(xù)降低，按此循環(huán)，直至發(fā)熱和散熱達到新的平衡。

通過上面分析比較可以看出，增大或減小風扇將直接影響電機的銅耗和機械損耗，且這兩種損耗的變化趨勢相反。根據(jù)原來的測試方法(E法)，對于溫升不高的電動機，可以通過減小風扇、降低機械損耗、減小溫升裕度，來提高電動機的效率。采用IEEE112B法，電動機設(shè)計時就須考慮到電動機的溫升對效率的影響，電機溫升與風量的合理匹配，不能單純采用降低機械損耗的方法來提高電動機的效率。

3.1 有無風扇對比試驗

研究在相同材料用量下電動機溫升與機械損耗的合理匹配問題，對提高高效、超高效電動機的效率十分關(guān)鍵。為了驗證溫升對電機效率的影響，針對電機溫升情況作了一系列試驗。由于改動風扇對電機鐵耗影響很小，所以試驗數(shù)據(jù)中沒有進行電機鐵耗的分離。在YX3系列高效電機型式試驗中，小電機的溫升很低，如90S-4 1.1 kW電機的溫升只有34.4 K，遠遠低于電機絕緣的溫升限值80 K，所以在同一臺電機上不安裝風扇做對比試驗，希望通過降低機械損耗來提高電機的效率。表2為YX3系列80、90機座號4個規(guī)格樣機的試驗數(shù)據(jù)對比。

表2 有無風扇對比

通過試驗數(shù)據(jù)可以看出，在YX3小規(guī)格電機無風扇的情況下，機械損耗有所下降;電機表面風量減小導(dǎo)致了溫升提高，電機的定、轉(zhuǎn)子銅耗相應(yīng)增加。電機總損耗增加，電機效率為下降趨勢。

3.2 減小風扇對比試驗

在稍大的機座號試驗中，電機的溫升有所提高，如YE2系列電機中160M-4和180M-4的溫升分別為51.0 K和49.4 K，與溫升限值相比差距仍較大，所以考慮在試驗中通過減小風扇來小幅提高電機溫升做對比試驗(YE2系列電機與YX3系列電機采用相同類型的風扇，且4極和6極同系列相同機座號電機風扇相同)。試驗中將160M-4風扇外徑由180 mm減小到160 mm;YE2-180-2、4極電機的風扇葉片數(shù)都為7片，4極風扇的外徑為220，2極的為180，試驗中180-4電機使用180-2的風扇做對比試驗，結(jié)果對比如表3所示。

從試驗結(jié)果可以看出，減小了風扇外徑，提高了電機溫升，電機的機械損耗下降，而定、轉(zhuǎn)子銅耗增加，電機效率變化很小。

表3 減小風扇對比

通過上述兩組試驗分析可知:在小電機設(shè)計中，不能通過減小風扇降低機械損耗來提高電機效率。

3.3 增大風扇對比試驗

為驗證增大風扇對電機效率的影響，需要增大電機風扇進行對比試驗。由于受到條件限制，試驗中樣機分別安裝了YX3和Y3的風扇進行試驗。表4為電機使用風扇情況和各種風扇電機的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)。

表4 YX3與Y3系列風扇對比試驗數(shù)據(jù)

相同風扇類型、不同葉片數(shù)的試驗數(shù)據(jù)對比:在表4的試驗數(shù)據(jù)中，YX3-112M-6，2.2 kW 和YE2-160M2-2，15 kW兩臺電機的2極風扇葉片數(shù)均為5片，6極風扇葉片數(shù)均為7片。在相同風扇系列，即葉片面積和形狀相同的情況下，葉片數(shù)量越少，風扇旋轉(zhuǎn)時葉片表面的脫流現(xiàn)象越嚴重、機械損耗越小、風扇效率越低，這樣到達電機機殼表面風量與風速越小、散熱效果越差。從試驗結(jié)果可以看出，YX3-112M-6電機用Y3的6極風扇比用Y3的2極風扇效率高0.52%;YE2-160M2-2電機用YE2的4極風扇比用YE2的2極風扇效率高0.02%。這驗證了在用IEEE112B法進行試驗時，小電機通過提高新系列電機的風扇葉片數(shù)和葉片面積，增大機殼表面的風量和風速，提高電機效率較為明顯;較大機座號電機必須充分考慮機械損耗對電機損耗的影響。

相同葉片數(shù)、不同風扇類型試驗數(shù)據(jù)對比:在試驗樣機中，Y3與YX3系列相同規(guī)格電機風扇的葉片數(shù)相同。由表4中Y3系列相同極數(shù)風扇的試驗數(shù)據(jù)，可以看出電機溫升都有不同程度的降低。這是由于Y3系列風扇的葉片面積較大，導(dǎo)致Y3風扇的風量和風壓要大于YX3系列風扇，電機的散熱條件得到改善，電機溫升下降，同時伴隨著定、轉(zhuǎn)子銅耗的降低，機械損耗增加。用Y3系列風扇電機效率為增加趨勢，效率增加值依次為 0.14%、0.73%、0.44%、0.08%，可見較小電機效率增加比較明顯。由上述可知:在新的試驗方法下，較小電機通過適當增大風扇葉片面積來增大電機表面的風量和風壓，電機效率提高明顯。Y3系列風扇本身的效率較YX3風扇低，如果適當增加效率較高風扇，電機的散熱效果會更好，效率會比安裝Y3風扇時得到進一步提高。

4 結(jié) 語

本文通過分析感應(yīng)電動機的損耗分布和通風對電機溫升的影響，得到了在IEEE112B法中，溫升對小電機效率影響較大的結(jié)論。通過分析不同試驗方法下風扇的選擇方法，進行了減小風扇和增大風扇的驗證性試驗，認為在新設(shè)計電機中適當增大風扇可以提高小電機效率。上述分析和試驗驗證將為新系列電機設(shè)計提供一定的參考。

［1］IEC60034-30，單速，三相籠型感應(yīng)電動機的能效分級［S］.2009.

［2］張子中.風扇型式對小型封閉式異步電動機風耗，溫升及噪聲的影響［J］.中小型電機，1999，26(3):23-24.

［3］魏永，孟大偉，溫嘉斌.電機內(nèi)熱交換［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1998.