高效電機效率提高及效率檢測技術分析

朱雨華

上海寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900

0 引言

隨著全球經濟的不斷發展，全世界對能源需求的不斷提高，能源短缺問題已變得日益突出。如何采取有效措施降低能源消耗和提高能源使用效率已成為目前國際社會發展所面臨的一項極為緊迫的任務。據可靠數據統計，2010 年我國全社會耗電量已達到4.19 萬億千瓦時，其中工業耗電量占總耗電量的70%，而電機系統的耗電量則又占工業總耗電量的60%～70%。我國電機多為普通效率電機，其平均效率為87%，而發達國家早已推行的高效電機效率已達到91%以上，美國的超高效電機效率更是達到93%，比我國高3%～5%。系統運行效率，比我國高25%～30%。電機及系統節能空間巨大，是單位GDP 能耗降低20%的重要手段，低碳經濟的重要組成部分。因此進一步加大高效節能電機的研制和推廣力度，在整個節能降耗工作中具有相當重要的意義。

1 高效電機的特點

高效（IE2）籠型感應電機與普效(IE1)電機相比有如下特點[1]：

1）效率高，IE2 比IE1 平均高3%，IE3 比IE1 平均高近5%左右；

2）需要使用更多高質量的材料。IE2 比IE1 電機成本高25%～30%，IE3 比IE1 電機成本高40%～60%左右；

3）優于運行溫度較低，電機壽命更長，可降低維護成本；

4）典型設計情況下起動電流較大些；

5）轉子慣量較大；

6）額定負載下轉速較高，轉差率較小。

高效電機壽命周期成本比普通的低效率電機低，維護費用一般也低于低效電機，從整個工作生命周期內實際節約的能耗成本要比采購成本高許多，因此包括我國在內，世界上許多國家都越來越重視高效率電機的研發及使用推廣。

2 提高電機效率的方法

提高電機效率的關鍵技術就是如何大幅度降低電機各項損耗(鐵耗、銅耗、風摩損耗和雜散損耗等)，這就要求對電機各類損耗產生的機理進行極其深入細致的研究，充分挖掘降低各類損耗的潛力。因此，電機效率的提高已不僅僅局限于電磁設計，而是需要結合傳統的電機設計模型建立更為精確的數學物理仿真模型，并綜合考慮工藝，材料，加工精度，結構，性價比等各種因素進行研究，進而提出解決降低電機各種損耗的關鍵工藝和設計技術。

基于以上觀點，可將開展超高效電機研制工作中需要面臨的關鍵技術簡要概括為以下幾方面。

2.1 合理的電機設計

1）鐵芯尺寸

通過適當加長鐵芯來降低磁密可降低鐵耗，但材料成本會有所提高，因此具體尺寸設計需要根據實際情況綜合考慮。

2）槽形

減小槽口寬可以降低定轉子齒部平均磁密，降低勵磁電流以減小雜散耗；控制斜槽度，則可大大削弱高次諧波磁場產生的附加轉矩和齒諧波，也能一定程度上降低雜散耗。

3）槽配合

槽配合對電機性能有很大影響。采用近槽配合能降低雜散損耗，效率、功率因素和啟動性能都能得到很好的提高。

4）繞組型式

“正弦”繞組采用不同的繞組匝數和結構形式，使用“正弦”繞組可以有效削弱合成磁場中的高次諧波，削弱雜散附加損耗。

5）氣隙

適當增大氣隙可一定程度上降低電機雜散耗，提高效率。

表1 氣隙調整前后電機雜耗變化

6）風扇結構

在保證電機溫升的前提下可以通過減少葉片外徑、增大葉片寬度、增加葉片數量，使用后傾式風扇等手段可有效降低風摩耗。如2 極電機采用不可逆的后傾式風扇，可使風量不變，風摩耗降低20%[2]。

7）使用磁性槽楔

電機開槽后會使氣隙磁導變得不均勻，表面損耗增大，如果采用磁性槽楔相當于縮小了槽口尺寸，可以有效減弱齒槽效應，從而降低表面損耗和銅耗。

2.2 合適的選材

1）電工鋼

高導磁率、低鐵損的高效硅鋼可以有效降低激磁電流，使定子銅耗變小；使用薄硅鋼片，可以減少電機渦流損耗，從而減少鐵損耗，提高電機效率。

表2 不同牌號試制高效電機效率值

2）銅線

選用低電阻率銅線可以最大程度降低定子銅耗，提高電機效率。

3）轉子

使用純度較高的鑄鋁轉子可有效降低轉子導條電阻率。在小功率電機中如果直接采用鑄銅轉子可有效降低電阻率，進而可以大大降低轉子銅耗。

4）其他配件

選用優質低摩擦軸承、高質量球軸承， 減少摩擦和振動、摩擦阻力小的密封圈和潤滑脂。

2.3 優良的加工和裝配工藝

1）定轉子加工

沖床沖剪方式加工的片子邊緣因發生彈性變形而產生內部應力，應力的存在會導致硅鋼片磁性能降低，進而使定子銅耗增加。如果對沖剪成的定轉子進行去應力退火可有效降低硅鋼片鐵損并提高硅鋼片導磁性能。另外，如果使用高速沖床或是使用線切割、激光切割方式將有效減少和避免鐵芯加工過程中應力產生導致的電機銅耗增加。沖片不良易導致硅鋼片毛刺過大，疊壓系數降低，定子齒、軛部的截面積減小，磁通密度增大，導致激磁電流增大，功率因素降低，造成定子銅耗增大，電機效率降低，如果使用線切割或激光切割方式將有效消除毛刺引起的銅耗，使電機效率得以提高。

2）轉子表面處理

通過氧化處理、脫殼處理、轉子表面焙燒、堿洗等方法可有效增加鑄鋁導條與鐵芯間的接觸電阻，能有效降低雜散損耗。

3）轉子的平衡控制

轉子的平衡分靜平衡和動平衡兩種，良好的平衡性能是降低機械耗的有效辦法。

4）裝配偏心控制

采用熱套工藝減小壓定子產生的機殼變形和裝配偏心；使用硬度較高的合金端蓋，盡可能減少偏心，可有效減小偏心照成的機械耗增大。

5）轉子軸向間隙的消除

使用波形彈簧墊圈或三點式彈性墊圈可有效減小因軸向間隙引起的機械耗。

6）零部件尺寸精度控制

軸承與軸承室選用合理的公差配合，盡量采取中間公差，保證零部件在運輸和裝配過程中不發生變形，將有效降低電機機械耗。

3 效率檢測方法

隨著各國對高效電機研發重視程度的日益提高，選擇何種效率試驗方法成為高效電機研制和推廣的一項關鍵問題。國際上當前采用的電動機效率測試標準差異不大，影響最終效率測試結果的最大的差別在于雜散損耗的測定。國際電工委員會制定的標準IEC60034-2 標準規定負載雜散損耗為輸入功率的0.5%，日本JEC37 標準則規定負載雜散損耗為0。美國電氣制造者協會(NEMA)制定的IEEE112-B 標準規定負載雜散損耗采用輸入輸出法測定。近年來，相關研究人員對幾個標準做了大量實驗比對工作，通過對研究結果的分析，得出結論是JEC37 標準檢測的效率最高，IEC60034-2 標準所測效率則比IEEE112-B 標準所測效率要高。表3 和表4 的數據可明顯看出標準間的差異[3]。

表3 三種標準的效率測試數據（%）

表4 兩種標準下不同頻率電機效率測試值（%）

我國目前的電機試驗標準基本參考了美國和歐盟的實驗標準，在高效電機的檢測中建議采用低不確定度的IEEE112-B法作為高效電機的檢測方法，能夠得到比較符合實際的電機效率，對電機效率的提高具有更為可靠的指導意義。該方法能夠比較精確地判斷電機運行狀況，相關方法已寫入國家標準GB/T1032-2005《三相異步電動機試驗方法》。

4 結論

雖然提高電機效率的方法很多，而且未來隨著極低鐵損和超高磁感硅鋼片、低溫超導材料，稀土永磁等先進材料的應用必將使高效超高效電機的制造變得更加容易。但只有在使用合適的效率檢測方法獲得可靠的損耗值的基礎上，通過損耗改進方法的合理運用才能制造出低成本的高效和超高效電機。

[1]陳偉華，李秀英，姚鵬.電機及其系統節能技術發展綜述[J].電氣技術，2008(9)：13-22.

[2]賀勝強.淺談提高小型電機效率的方法[J].電機技術，2011(1)：11-13.

[3]胡浩，楊斌文.電動機IEEE112-B標準效率測試方法及其分析比較[J].電氣工程，2009(6)：46-48.