中小型籠型異步電機雜散損耗的降低措施

李海成，　王慶東，　尹志華

(山東華力電機集團股份有限公司，山東 濟南　264300)

中小型籠型異步電機雜散損耗的降低措施

李海成，王慶東，尹志華

(山東華力電機集團股份有限公司，山東 濟南264300)

對中小型籠型異步電動機雜散損耗的構成進行了分析。根據電機的各個參量與雜散損耗之間的數學關系提出了降低雜散損耗的多種措施，并針對其中幾種降低雜散損耗的措施進行了實測驗證。

中小型籠型異步電機； 雜散損耗； 降低措施

0　引　言

國際電工委員會發布的IEC 60034-30能效標準規定電機效率的測試方法按照IEC 60034-2-1法,其中雜散損耗采用實測取得;我國GB 18613—2012《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》標準規定電機效率測試方法采用GB/T 1032—2012《三相異步電動機試驗方法》中的B法，此法為雜散損耗實測的損耗分析法。由于雜散損耗的大小受到設計及制造工藝等眾多因素的影響，難于準確計算[1]，因此探討降低雜散損耗的措施有較大的實際意義。

1　空載雜散損耗的構成

空載雜散損耗主要包含空載鐵心表面損耗及齒部脈振損耗?？蛰d表面損耗是由氣隙諧波磁場與定、轉子鐵心表面發生相對運動，在鐵心硅鋼片的表層附近產生的渦流損耗和磁滯損耗。當諧波頻率較高，波長較定、轉子齒距小時，諧波進入到鐵心的深度較淺，此時的損耗稱之為表面渦流損耗；當諧波頻率較低，波長較定、轉子齒距長很多時，諧波進入鐵心的深度較深，會在整個齒中形成渦流及磁滯損耗，稱之為齒部脈振損耗[2]。

式中：Q——定、轉子槽數。

式中：δ——氣隙長度。

式中：h——硅鋼片厚度；

ρ——硅鋼片的電阻率。

(5) 表面渦流損耗與磁密的關系:表面損耗是諧波磁場和定、轉子表面進行交鏈后產生，與諧波磁場強度大小有關，PB∝B2。

式中：B——相對于定、轉子表面損耗來講，對應的轉子μ次諧波磁場強度及定子ν次諧波磁場強度。

(6) 表面渦流損耗與鐵心表面積的關系:表面損耗是在氣隙兩旁的鐵心表面產生的,與鐵心表面積具有正比關系:PB∝As。

式中：As——氣隙兩側的定、轉子鐵心表面積。

(7) 表面渦流損耗與槽口尺寸的關系:

式中：t——定、轉子齒距;

b0——定、轉子槽口寬度。

(8) 齒部脈振損耗與齒部磁密、沖片厚度及齒部尺寸的關系:

Pt∝(fBt)2L1btht

式中：f——諧波相對于定、轉子的頻率;

Bt——定、轉子齒中諧波磁場強度;

L1——鐵心長度;

bt——齒的寬度;

ht——齒的高度。

(9) 齒部脈振損耗與槽配合的關系:脈動幅值取決于諧波的波長與對應的齒距的比例。這一比例與定、轉子槽配合有關。齒部脈振損耗隨槽配合變化的近似關系:

式中：Q1——為定子槽數；

Q2——轉子槽數。

(10) 表面磁滯損耗大小具有與表面渦流損耗類似的關系:

Pm∝fB1.6As

式中：f——定、轉子諧波頻率;

B——定、轉子諧波磁;

As——定、轉子表面積。

2　負載雜散損耗的構成

(1) 漏磁場在定子繞組附近的金屬部件中產生的雜散損耗:

Ppl∝τDilf2A12.5

式中：τ——極距；

Dil——定子鐵心內徑；

f——電源基波頻率；

A1——線負荷。

(2) 由于交流電源的集膚效應引起的繞組雜散損耗:

Pcuad∝KFPcu

式中：KF——與導線相對高度、膚效應有關的參數；

Pcu——繞組直流電阻損耗。

在中小型異步電動機中，由于繞組線徑較細，這部分損耗予以忽略。

(3) 定子相帶諧波磁勢在帶斜槽的籠型轉子繞組產生的雜散損耗:

式中：N1——每相串聯總導體數;

Kdpv——v次定子相帶諧波繞組系數;

Kskv——轉子對v次諧波的斜槽系數;

K2v——轉子繞組對v次諧波的繞組系數，

R2v——轉子導條對v次諧波頻率的交流電阻;

Q2—轉子槽數。

(4)定子齒諧波磁勢在籠型轉子繞組里產生的雜散損耗:

Cm——損耗系數，Cm與定、轉子數比Q2/Q1有關，Q2/Q1接近于1損耗最小,因此一般選用近槽配合。

(5) 沒有槽絕緣的轉子中，由泄漏電流產生的雜散損耗(沒有槽絕緣的鑄鋁轉子，導條與鐵心硅鋼片直接接觸，會有泄漏電流直接溝通臨近的導條產生橫向電流損耗)：

P2h∝Q2Rj。

式中：Rj—導條與鐵心的接觸電阻;

Q2—轉子槽數。

3　雜散損耗降低措施

結合上面所述雜散損耗的構成以及與電機各個參量的關系，可有下列降低雜散損耗的措施:

(2) 采用多路并聯，假設采用N條支路并聯時，應采用相距N×180°電角度的極相組串聯為并聯支路，即第1與第N+1極相組串聯成為一個并聯支路。該措施可削弱氣隙偏心后氣隙磁場波形畸變產生的3次諧波在定子齒中引起的渦流損耗。

(3) 適當增加定、轉子槽數，可以令表面渦流損耗減少。繞組的諧波含量與每極每相下槽數q有關，提高定、轉子槽數可以改善氣隙磁場波形。當q>6之后繞組的諧波含量將會大幅降低。該措施對于雜散損耗的多數成分都有降低效果；在定子內圓一定的情況下，增加定、轉子槽數將會引起齒部鐵心尺寸的減小，利于降低齒部脈振損耗。

(4) 采用轉子少槽、近槽配合。轉子槽數要比定子槽數少，同時盡量接近定子槽數，此時定子齒諧波磁勢在籠型轉子繞組里產生的雜散損耗最小，同時空載齒脈振損耗也會減少。選擇槽配合時要避開可能產生低階振動力波或電磁噪聲的槽數,在此不做贅述。

(5) 在同功率、同極數的情況下，采用小的定子內徑有利于降低表面渦流損耗。但要注意內徑減少與定、轉子槽數增加的矛盾關系。

(6) 減小定子槽槽口尺寸。在滿足嵌線工藝要求的基礎上盡量小，或定子采用磁性槽楔，轉子采用閉口槽。該措施利于降低表面渦流損耗。

(7) 適當增加電動機氣隙長度。氣隙增大則氣隙磁導降低，可消弱氣隙諧波磁場強度。該措施利于降低空載表面渦流損耗及齒脈振損耗。

(8) 合理控制氣隙磁密，電動機設計時磁密不宜飽和。采用較低的磁密值對于降低空載表面損耗及空載齒部脈振損耗有明顯效果；另外飽和后的電機漏磁增加，會造成漏磁場在定子繞組附近金屬部件中產生雜散損耗的增加。

(9) 采用簡單的轉子槽形。過于復雜的轉子槽形除會增加轉子漏抗外，還會增加導條與鐵心的接觸面積，增加橫向電流損耗。

(10) 采用合適的轉子斜槽。經過計算采用合理的轉子槽斜尺寸可消除或削弱某些次定子諧波。斜槽繞組系數越低由定子相帶諧波磁勢在帶斜槽的籠型轉子繞組中產生的雜散損耗越小。需要注意過大的槽斜度尺寸會令基波幅值降低，同時斜槽繞組系數呈正弦規律變化，對于某v次諧波來說并不是槽斜度尺寸越大越好。

(11) 采用薄的硅鋼片。該措施利于降低表面渦流損耗。

(12) 提高沖片沖裁質量，合理控制沖片毛刺。該措施有利于防止片間短路，可降低轉子表面渦流損耗。

(13) 合理控制繞組端部長度，電機設計空間不宜過于緊張。該措施可增加端部漏磁與周邊金屬件間的氣隙長度，降低漏磁在繞組端部附近金屬部件中產生的渦流損耗?？煽紤]在繞組端部附近的零部件采用非金屬材料或高電阻率材料制造。

(14) 采用轉子絕緣處理工藝?？梢圆捎昧谆簩τ谵D子槽形進行絕緣處理，提高轉子導條與鐵心的接觸電阻，降低橫向電流損耗。

(15) 合理控制鐵心疊壓力，防止壓力過大破壞片間絕緣。該措施有利降低鐵心表面渦流損耗。

(16) 要避免轉子加工時產生毛刺。由于在加工轉子外圓時轉子槽口部位比較薄弱，會出現讓刀的情況，造成不完全車削，因而產生毛刺，降低片間絕緣電阻，增加表面渦流損耗，建議采用小進刀量及高速車削工藝。也可以嘗試采用轉子沖片直接沖出氣隙的工藝。

(17) 要消除轉子加工后產生的毛刺。對于轉子外徑加工后已經存在的毛刺，可以對轉子表面進行處理，將加工后的毛刺去掉，防止片間短路，降低轉子表面渦流損耗。

(18) 各零部件特別是鐵心采用時效處理或退火。電動機零件在冷、熱、機械加工后都會有加工應力存在，如果不退火或者退火不完全，應力將會在電機運行一段時間后，因為振動及發熱等原因而釋放，從而改變電機氣隙等重要尺寸的幾何關系，附加損耗將會有所變化，變得不可控。

4　關于雜散損耗降低措施的驗證

4.1采用不同繞組型式對于雜散損耗的影響

以下為H250M2- 4 75KW增容電機的實測數據。采用低諧波繞組后，實測雜散損耗降低約10.33%，如表1所示。

表1　不同繞組型式對于雜散損耗的影響

4.2采用不同槽斜度尺寸對于雜散損耗的影響

以下為H250M2- 4 75kW增容電機的實測數據，如表2所示。隨著槽斜尺寸的增加，雜散損耗最大降低約9.59%，但繼續增加槽斜尺寸雜散損耗是否會繼續減少需要進一步驗證。

表2　不同槽斜度尺寸對于雜散損耗的影響

4.3采用不同氣隙長度對于雜散損耗的影響

以下為H250M2- 4 75kW增容電機的實測數據，如表3所示。氣隙長度增加10%后，雜散損耗降低約6.27%，但是功率因數也有所降低。

表3　不同氣隙長度對于雜散損耗的影響

4.4采用不同槽配合及槽斜度對于雜散損耗的影響

以下為H250M2- 4 75kW增容電機的實測數據，如表4所示。為得到較好的噪聲性能，槽配合和槽斜度要相互匹配，因此以上雜散損耗的變化9%是槽配合與槽斜度二者產生的綜合影響。

表4　不同槽配合及槽斜度對于雜散損耗的影響

4.5采用轉子槽絕緣處理對于電動機雜散損耗的影響

以下是對H225M-2 45kW電機的轉子槽采用磷化液絕緣處理后與轉子不絕緣處理的對比數據,如表5所示。從上述數據可以看到，轉子槽采用磷化液處理后雜散損耗降低4.52%。轉子槽的絕緣質量對于由橫向電流產生的雜散損耗有決定性的影響。

表5　轉子槽絕緣處理對于電動機雜散損耗的影響

4.6采用磁性槽楔對于電動機雜散損耗的影響

以下是H225M-2 45kW電機分別采用環氧引拔槽楔和環氧單晶鐵粉磁性槽楔的對比數據，如表6所示。采用磁性槽楔后所得的雜散損耗降低2.44%。磁性槽楔主要影響的是氣隙系數，受磁性槽楔的磁導率影響較大。

表6　采用磁性槽楔對于電動機雜散損耗的影響

5　結　語

本文分析了雜散損耗的各組成部分，提出多種切實可行的降低雜散損耗的辦法，并針對其中的幾種方法進行樣機驗證，取得了一定的效果。驗證的各種措施分別可以對雜散損耗減少2%～10%不等，如果綜合應用本文所列的各種措施將有可能減少雜散損耗達50%，并且以上措施不會引起電機成本的大幅增加，對于工廠設計開發高效率電動機很有實用價值。

[1]陳世坤.電機學[M].北京： 機械工業出版社.1997.

[2]B·海勒爾.異步電機中諧波磁場的作用[M].俞鑫昌，譯.北京： 機械工業出版社，1980.

Stray-Load Loss Reducing Measures of Small and Medium Size Cage Type Asynchronous Motor

LIHaicheng,WANGQingdong,YINZhihua

(Shandong HuaLi Electric Motor Group Co.,Ltd., Jian 264300, China)

Stray-load loss of small and medium size cage asynchronous motor was analyzed, and multiple reducing measures were proposed on the basis of mathematic relation between motor parameters and stray-load loss. Furthermore, several reducing measure of them were verified by actual measurement.

small and medium size cage asynchronous motor; stray-load loss; reducing measure

2014-09-15

TM 303

A

1673-6540(2015)04-0070-05