高效電機設計方法的研究

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(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

由于電機系統耗電在世界各國均占有相當大的比重，隨著能源形勢的日益緊張，世界各國均開展了電機系統節能工作。我國電機保有量17億千瓦，消耗社會用電量的60%～70%，國家在十二五規劃中，對節能減排目標提出了具體要求。

本文對影響電機效率的五大損耗進行了系統分析，針對不同損耗的特點提出了具體的措施來提高電機的效率，并進行了相關的試驗研究，總結出了開發高效電機的方法。

1 高效電機性能分析

1.1 減小電機損耗的措施與方法

(1)減小電機銅耗的措施。

定子側銅耗與定子電流和繞組的電阻有關，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。所以進行高效節能電機研制時，部分規格放大了沖片外徑[1]，目的就是增加槽面積可以放下更多的銅線。另外，還可通過改進繞組的端部設計，減小端部的長度來減小整個繞組的電阻。

目前大部分電機都是鑄鋁轉子。銅的電導率要比鋁高，鑄銅轉子的電機理論上轉子損耗可以下降38%[2]。采用鑄銅轉子的電機可以極大地提高電機效率。

(2)減小鐵耗的措施

減小鐵耗最常用的辦法就是采用磁導率高、損耗低的優質硅鋼片。另外，硅鋼片的厚度是影響電機鐵耗的重要因素之一，國內主流的硅鋼片都是0.5mm厚，而國外的產品很多開始采用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。

減小電機的鐵耗除了合理設計電機的磁路外，還要考慮電機鐵心制造工藝的影響。一般硅鋼片加工成鐵心壓入機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行退火處理，以消除應力，恢復冷軋硅鋼片的良好性能，對降低鐵耗起到了很好的作用。

(3)減小機械損耗的措施

機械損耗分為通風損耗和摩擦損耗。通過優化風路結構，改進風扇及風罩的設計可以有效地降低通風損耗；摩擦損耗可以通過采用優質低摩擦軸承和低摩擦潤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化設計和工藝等措施來減小。設計上采用優化氣隙、采用低諧波繞組、優化槽配合等；工藝上對轉子槽進行絕緣處理來降低轉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子表面高頻損耗等[1]。另外，電機端蓋等實心零件可以采用非磁性材料來限制漏磁場引起的渦流損耗。

1.2 低諧波繞組技術的研究

定子繞組的形式決定了繞組的基波分布系數和諧波含量，對電機性能有較大影響[3]。經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、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、“△-Y”串聯等方式來產生接近正弦的氣隙磁通。對于高效電機，有必要采用低諧波繞組來改善電機的磁勢波形，從而降低電機雜散損耗。

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現性[4]。而且可以節省銅線，取得節材和提高效率的雙重效果。不等匝低諧波繞組實質是將槽內的導體數適當分配，使槽電流沿鐵心表面按正弦規律分布，以得到接近于正弦形的磁勢曲線[4]。下面以每對極為18槽、q=3的短跨距單元電機為例說明一下低諧波繞組線圈匝數比的計算方法。繞組展開圖如圖1所示。

圖1 q=3單元電機雙層同心繞組展開圖

當A相電流達到最大時，基波磁勢幅值將與A相繞組的軸線重合。假設某時刻A相電流達到最大，即iA=Im，此時iB=iC=-0.5Im。基波磁勢波形和電流安匝波形的空間分布如圖2所示。

圖2 基波磁勢和電流安匝空間分布示意圖

基波磁勢幅值在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，根據各槽電流安匝與圖中余弦安匝波一一對應，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

解這個方程組，就可以得到各個線圈的匝數比。據此，我們編制了基于雙層同心不等匝繞組的電機設計軟件，專門用于低諧波繞組電機的設計。

2 高效電機設計效果的驗證

2.1 增加有效材料提高電機效率

增加有效材料有兩個方面：一是增加電機銅、鋁的用量以減小定、轉子電阻；二是采用更高性能材料，如采用高性能硅鋼片以減小鐵耗，采用鑄銅轉子以減小轉子銅耗等。表1是4臺分別滿足3級能效和2級能效的45kW-2電機的損耗及有效材料使用情況。從表1中數據可以看出，效率的提升主要源于定、轉子側銅耗及鐵耗的減少，其中定子側銅耗、轉子側銅耗和鐵耗平均減少了20%～30%。結合表1數據和這幾臺電機的設計制造過程總結出提高電機效率的主要采取以下措施。

(1)增加鐵心長度，增加繞組截面積

45kW電機3級能效到2級能效鐵心長從200mm增加到230mm，長度增加了15%。在滿足同樣磁負荷的情況下，鐵心長度的增加可以減少電機的匝數，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，在鐵心長度增加的情況下，總的鐵耗卻減少了。

(3)擴大槽型尺寸，增加銅線和鑄鋁的用量

2級能效比3級能效用銅量增加了22.4%，用鋁量增加了6.9%，這直接導致了定、轉子電阻的降低。

表1 45kW-2電機損耗分布和有效材料利用情況

2.2 改進工藝提高電機效率

對沖出電機氣隙工藝制作了樣機，并與普通電機進行了試驗對比，對比結果見表2。表2中的4臺22kW-4樣機是按照2級能效(即IE3，93%)進行的設計，其中1號、2號樣機采用的是沖出氣隙，3號、4號樣機采用的車削氣隙。從表2中可以看出，1號、2號樣機的雜散損耗大大低于3號、4號樣機的雜散損耗，平均低30%左右，說明直接沖出氣隙的方法對減少雜散損耗效果明顯。

表2 22kW-4樣機試驗結果

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部應力的積聚和物理性能的變化，導致冷軋硅鋼片的導磁性能降低、鐵耗增加，這對充分利用冷軋硅鋼片的優良導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力，恢復冷軋硅鋼片的性能。對幾個規格電機的沖片退火工藝進行了專門的試驗研究，性能對比見表3。通過對比可以看出，退火的電機鐵耗要小于未退火的電機，并且由于硅鋼片磁性能的恢復，電機的功率因數也有所改善。

表3 退火前后電機性能變化對比

2.3 采用低諧波繞組提高電機效率

利用自主開發的電磁計算軟件，我們對幾個規格的電機進行了繞組改造。采用雙層同心不等匝繞組后，諧波含量大大減少，以一臺110kW-4電機為例，繞組改變前后各次諧波系數變化情況見表4。從表4中可以看出，采用雙層同心不等匝繞組后，基波系數為原來的98.8%，變化不大，而其他次諧波系數均有較大幅度減少。高次諧波含量的減少可以減少電機的雜散損耗。

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電機的端部沒有刻意縮短，能夠節省銅線6.3%，而15kW-6電機和55kW-2電機縮短了端部的同時稍微調節了線規，能夠節約銅線10%左右。

表5 電機采用不同繞組形式用銅量對比

采用低諧波繞組的樣機與普通繞組樣機測試數據對比見表6。通過對比表6中測試數據可以看出，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個百分點。通過合理的設計將普通繞組換為低諧波繞組，在節約電機成本的同時能夠降低電機的雜散損耗，提高電機效率，節能增效成果十分明顯。

表6 低諧波繞組樣機與普通繞組樣機測試數據對比

2.4 不同措施效果的比較

通過以上理論分析和樣機的實際測試驗證，可以看出不同的措施對于提高電機效率產生的效果和付出的成本各不相同。長期以來，國內大部分電機制造企業設計生產高效電機的主要手段就是增加有效材料的利用，隨著電機能效等級的不斷提升，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，但是對轉子鐵心的制造水平要求較高；退火能夠降低電機的鐵耗但是需要專門的工藝和設備保障；而用雙層同心低諧波繞組，僅需改變繞組的下線方式，工藝可實現性強，不僅能夠提高效率還能節省銅線，在高效電機的試制中效果明顯，具有廣闊的應用前景。

3 結語

采用單一的手段可能使某幾個規格電機的效率提高一個效率等級，但卻很難將整個系列提高一個效率等級。因此高效電機的開發一定是多種手段并用，從設計、材料、結構等多方面入手，進行全面的優化，這樣才能使得各種措施的有效性發揮到最高。以此為指導，我們逐步開發出了滿足2級能效和1級能效的高效節能電機，為國家的節能減排做出了應有的貢獻。

[1] 張鳳，顧德軍，葛榮長，等.符合IEC高效(IE2)、超高效(IE3)效率等級的電動機降低損耗措施的研究[J].電機與控制應用, 2009, 36，(10)：19-23.

[2] 黃堅，李志強，張維，等.鑄銅轉子超高效率三相異步電動機產品研制[C].南京第九屆中國電機及系統發展論壇專題報告集. 2010.

[3] 湯蘊璆，史乃.電機學[M].2版.北京：機械工業出版社，2005.

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