高效節能型電動機的設計技術

【摘" 要】高效節能電動機設計技術是在電動機領域中的關鍵研究方向之一。隨著能源資源的日益緊缺和環境保護的要求，開發和設計高效節能電動機已成為重要任務。文章主要介紹一些常見的高效節能電動機設計技術。分別對電動機鐵損耗、銅損耗、機械損耗、驅動電路損耗產生的原因進行分析，并有效地采取改進方法，進行不同方案的對比試驗和驗證。

【關鍵詞】高效；電動機；設計技術

中圖分類號：U463.23" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）08-0039-04

Design Technology of High-efficiency and Energy-saving Motor

WANG Aixian

（Jiangsu Chaoli Electric Appliance Co.，Ltd.，Research Institute of Technology，Zhenjiang" 212321，China）

【Abstract】The energy-efficient motor design technology is one of the key research directions in the field of motor. With the increasing shortage of energy resources and the requirements of environmental protection，the development and design of energy-efficient motors has become an important task. This paper mainly introduces some common energy-efficient motor design techniques. The causes of motor iron loss，copper loss，mechanical loss and drive circuit loss are analyzed respectively，and the comparative test and verification of different schemes are taken effectively.

【Key words】high efficiency；electric motor；design technology

作者簡介

王愛仙（1974—），女，高級工程師，主要從事汽車有刷、無刷電機設計及標準化管理研究工作。

1" 引言

高效節能電機的應用前景廣闊，與各行業的發展密切相關。電動汽車、風力發電、建筑設備等領域對電機性能要求很高，高效節能電機可以滿足這些需求，并以低能耗的特點在這些領域有著廣泛的應用前景。

然而，還有一些挑戰需要克服。首先是制造成本問題，高效節能電機的制造過程較為復雜，導致制造成本較高。其次是技術推廣問題，目前高效節能電機的技術還處于研發階段需要大規模的技術推廣和應用示范，以提高其市場競爭力。

總之，高效節能電機的設計與制造是當今技術發展的重要方向[1]，通過創新的設計理念和制造技術，可以大幅提高電機的工作效率并降低能耗，為解決能源危機和環境問題作出貢獻。盡管還面臨一些挑戰，但隨著技術的不斷進步和應用的推廣，相信高效節能電機在未來必將發揮更大的作用。

2" 節能型電動機設計技術

在地球有限的資源環境中，電動機所消耗的電能約占電網總容量的50%，實現電動機的高效率化，是今后人類社會所要解決的最重大課題之一。目前，電動機技術與磁性材料、電子技術、精密加工技術及計算技術等融合在一起，電動機已經發展成為社會活動和產業活動中不可缺少的關鍵設備。電動機技術將與上述高新技術的發展同步，電動機的高效率化與資源利用最大化技術必將與時俱進[2]。

設電動機的輸出功率為P，總損耗為W1，則電動機的效率為：

η=[P/（P+W1）]

為了實現電動機的高效率，需要提高電動機的輸出功率并減小電動機的損耗。以永磁無刷直流電動機驅動系統為例，其各種損耗的分類如圖1所示。可以看出，由于沒有了電刷和換向器，也就不存在電刷損耗，與感應電動機相比又不存在轉子銅損耗，因此，電動機的損耗明顯降低，這是一種最適合高效率化的電動機。

另外，電動機的效率不單純決定于電動機本身，還與其驅動電路及控制方法等有重要關系。因此所謂高效率電動機，則是指電動機驅動系統的綜合效率。近年來，無刷直流電動機與變流器組合的驅動系統作為一種最佳高效率驅動系統獲得了人們的廣泛關注，并且已經在很多領域獲得了應用。可以根據無刷直流電動機驅動系統的輸出功率大小、轉速范圍、電動機尺寸、振動、噪聲及價格等使用條件，對損耗進行最優化分配，以便適應不同用途的要求[3]。因此，極為細致的最優化設計顯得十分重要。

2.1" 鐵損耗

電動機的鐵損耗包括鐵心的磁滯損耗和渦流損耗。交變磁場作用于具有磁滯特性的磁性材料時，每當磁場強度H變化一個周期，則磁化曲線（B-H曲線）就形成了一個回線（磁滯回線）。所謂磁滯損耗是指單位體積磁性材料所產生的相當于飽和磁滯回線面積的能量損耗[4]。

在鐵心中，因磁通變化感應渦流而產生的焦耳熱損失稱為渦流損耗。電動機的鐵心常采用表面涂以絕緣漆的薄硅鋼沖片疊壓而成，這正是為了減少鐵心的渦流損耗。

電動機設計時，需要使用愛普斯坦試驗法或單板磁場試驗法測取鐵心材料的磁化曲線。Steinmetz等提出，在電機設計時用計算式來代替查表法。然而，目前以變頻器為代表的驅動裝置的驅動波形并不是單純的正弦波，電動機的氣隙磁場幾乎全部是含有高次諧波的波形畸變了的磁場。為此，人們把如下解決方案引進了電動機設計：采用考慮了PWM驅動頻率的鐵損耗計算；采用考慮了磁性材料方向性的二次元磁特性的損耗測定方法等。當實際鐵心材料中產生鐵損耗時，鐵心的溫度會隨之上升，因此，可以采用紅外測溫法等，通過測定鐵心溫度來直接測定鐵損耗。然而在目前階段，想要在電動機設計階段就準確推算出鐵損耗尚難以做到，目前可以采用更為完善的仿真方法。

圖2為PM型步進電動機的輸出功率曲線與鐵損耗曲線。用于評價的電動機外形為φ42mm，48步，永磁體采用黏結稀土類永磁體（BHmax=80kJ/m3）。由于采用了高磁能積的永磁材料，電動機在低速范圍內有優良的特性（轉矩大、鐵損耗小）。然而，隨著頻率的提高，電動機轉矩逐漸降低，頻率為1400pps時，電動機的輸出轉矩已減少至低轉速（500pps）時的60%。轉矩隨頻率增大而下降的原因是：驅動頻率為1400pps時，在電動機內部產生的鐵損耗已經相當于輸出轉矩的65%，采用高磁能積永磁材料時，磁軛部的磁通密度較高；在采用鍍鋅鋼板作為磁軛材料時，在高頻下鐵損耗將會大幅度增加。

為了改善電動機高速時的性能，必須降低鐵損耗[5]，為此，制作了電動機B，其磁軛部分的材料改用了硅鋼片（W10/50=3.32W/kg），磁極的永磁體改用了各向異性的鐵氧體永磁。表1對電動機B與圖2所示的電動機A的鐵損耗進行了比較。

從表1可知，對2臺電動機的性能進行比較，在低轉速（500pps）時，采用黏結稀土永磁轉子的PM型步進電動機的輸出功率較大；而在1400pps下驅動時，磁軛采用硅鋼片的電動機B的鐵損耗不足電動機A的鐵損耗的一半，電動機B的輸出功率也有了明顯提高。因此，對于在高速下使用的電動機，設計時應著重降低其鐵損耗顯得特別重要。對于PM型步進電動機磁軛部分的材料，除硅鋼片以外，還有人提出可以采用軟磁性不銹鋼板的方案。

20世紀70年代后半期，從空調器和電冰箱等所用的感應電動機開始，對其鐵損耗進行了改善，隨后，在OA裝置所用的步進電動機領域，也開始進行了相應的工作。特別是要求電動機高轉速、小型化的應用領域，需要在高磁通密度和高旋轉速度下運行的電動機具有較高的效率。因此，希望今后能進一步開發出在高飽和磁通密度下具有較低鐵損耗的磁軛材料。

2.2" 銅損耗

對于三相電動機，當三相繞組電阻和各相電流分別為Ra、Rb、Rc和Ia、Ib、Ic，其銅損耗Pc可表示為：

Pc=Ia2Ra+Ib2Rb+Ic2Rc

為了減小電動機的銅損耗，可以采取以下方法：提高繞組的槽滿率；增加電動機的每極磁通量，提高轉矩常數；增加電動機極數，縮短線圈的端部長度等。

當電動機尺寸受到限制時，第1種方法是減少銅損耗的有效手段。對于具有分割鐵心結構的電動機，為了提高槽滿率，普遍采用整距繞組。今后，隨著繞線技術的提高及采用更薄的絕緣材料等，電動機的槽滿率有望得到進一步的提高。對于第2種方法，當每極磁通量增大時，在電動機銅損耗減小的同時，將引起鐵損耗的增加。因此，需要進行銅損耗與鐵損耗總和的最小化設計。對于第3種方法，在電動機尺寸一定的情況下，將存在一個最佳的極數。

圖3為三相無刷直流電動機以極數作為參量進行銅損耗最小化設計的例子。電動機的外形（φ38）及每極磁通量一定時，在確保電動機輸出功率大于17W的前提下，如果以9極電動機的銅損耗和轉矩常數作為100%，12極和15極電動機與9極電動機比較的直方圖如圖3所示。可以看出，12極和15極電動機比9極電動機的轉矩常數提高了30%以上。但是，由于15極電動機的槽面積減小了，使繞組的導線線徑減小，繞組電阻增大，從而使電動機的銅損耗與9極電動機相等。由圖3還可知，3種極數電動機相比時，12極為最佳極數。

可見，在減小銅損耗時，考慮到電動機外形尺寸的限制及輸出條件等用途的最優設計是十分重要的。

2.3" 機械損耗

機械損耗包括因軸承結構而引起的摩擦損耗和黏性損耗，以及因轉子旋轉而產生的通風損耗。

下文以用于VTR焦距調節的裝配了螺旋絲杠的步進電動機（圖4）的機械損耗降低為例加以介紹。

螺旋絲杠由設置在電動機一側的軸承和螺旋絲杠端部的樹脂套支撐，樹脂套預先壓裝在端部設置的鋼極支架上。隨著長時間錄像型VTR的普及，要求所用電動機為節電型的高效率電動機。當電動機的尺寸很小時，其輸出轉矩也很小，電動機內部約28%輸出轉矩的能量作為機械損耗損失掉了。圖5為機械損耗中所包含的各種損耗及其所占的比例。

由于軸承支撐著整個軸徑（圖6），故軸承部分的摩擦損耗較大。在樹脂套部分（圖7），軸端部分的直徑減小（φ1.2mm），使這部分的摩擦損耗明顯減小，為了提高使用壽命并減小摩擦因數，采用了在樹脂套內部填充潤滑脂的結構，使這部分的黏性損耗較大。

為了減小機械損耗，采取了以下措施：去掉支撐整個軸徑的軸承部分，軸的支撐采用樹脂套和電動機后部軸兩端支撐的方式；軸兩端支撐的結構如圖8所示；為了減小黏性阻力，隨著φ2mm的支撐力增大，支撐長度縮短。通過以上改善措施，電動機的機械損耗可以降低到原來的1/3，輸出功率也提高了15%，實現了高效節能的目的，如圖9所示。

另外，隨著LBP用多邊形電動機、HDD主軸電動機、光盤主軸電動機等的高轉速化，為了減小軸承的機械損耗和節省用電，目前，旋轉精確度和無振動性優良的動壓流體軸承的應用范圍正在急劇擴大。

2.4" 驅動電路損耗

為了切換電動機的勵磁電流，驅動電路中需要使用電力電子開關器件，因此將產生驅動電路損耗，其中包括：通態電阻損耗；開關器件導通過程中產生的導通過程損耗；開關器件關斷過程中產生的關斷過程損耗；續流二極管所產生的損耗等。

以使用額定電壓為72V的低速電動車用驅動電路為例，對其效率進行分析。該驅動系統的構成如圖10所示。圖中，當變流器電路的開關器件使用MOSFET或IGBT時，所求得的驅動電路損耗的實測值和仿真值如圖11所示。試驗測定時的負載條件是電動車以時速50km/h在平地上行走。在驅動電源為直流72V的情況下，MOSFET的通態損耗不足IGBT的1/3，開關器件的總損耗也只有IGBT的1/2。為了減小驅動電路損耗，本系統變流器電路的開關器件采用了MOSFET。

為了求取最佳的PWM驅動頻率而進行試驗的結果曲線如圖12所示。可以看出，PWM驅動頻率增加時，電動機的效率提高了，相反，由于變流器電路開關器件的導通損耗和關斷損耗增加，使驅動電路的效率降低。考慮到驅動系統的綜合效率為最大的情況下，實際的PWM驅動頻率采用了15kHz。

由以上分析可以看出，從整個驅動系統的綜合效率觀點出發，努力探索可以發揮最大效率的驅動條件，是今后電動機節能工作的一個重要課題。

目前，在很多領域，雖然控制技術已經獲得了長足的進步，但電動機系統并沒有發揮出最大效率，如何進一步挖掘系統的潛在特性，實現高效率化與節能化，在這一方面還有很多工作可做。在汽車電動窗和天窗中廣泛使用步進電動機。步進電動機的價格便宜，用于位置控制和速度控制時，可以采用極為簡單的開環控制。但是當電源頻率較高時，可能出現失控現象，因此，步進電動機實現高速驅動和大功率是困難的。為了從根本上解決步進電動機的失控問題，采用霍爾元件檢測出轉子位置，利用這一轉子位置信號來實現定子繞組的切換控制，可以做到無位置延遲的最佳位置勵磁控制。對于過去由于失控現象而不可能運行的潛在區域（圖13），采用這種最佳位置勵磁控制時，有可能擴展為正常運行區域。

由以上分析可以看出，在電動機高效節能領域，采用合適的控制技術是十分重要的。

3" 結論

通過使用先進的電磁設計方法和工具，可以優化電動機的磁路結構、線圈布局和磁場分布，從而減少能量損耗并提高電機效率。選用高性能材料也是設計高效節能電動機的重要因素。采用低磁損耗和高熱導率的材料減少電機的銅損耗、鐵損耗來提高電機的效率。控制策略的優化對于電動機的高效節能設計也至關重要。綜上所述，高效節能電動機設計技術包括優化電磁設計、選用高性能材料、控制策略的優化以及減少機械摩擦損耗等。這些技術的應用可以顯著提高電動機的效率，實現能源的節約和環境的保護。

參考文獻：

[1] 李超. 我國多種高效節能電機的發展狀況[C]//第二屆中國國際高效電機暨系統發展論壇. 北京：中國電機雜志社，2017：26-28.

[2] 鄧隱北，唐慶偉，尚俊梅. 永磁電動機的高效率化技術[J]. 電機技術，2011（1）：58-60.

[3] 王立，劉景林. 無刷直流電動機驅動系統建模及故障仿真[J]. 測控技術，2010（12）：94-98.

[4] 劉志存. 鐵氧體材料的磁滯損耗特性[J]. 西北大學學報（自然科學版），2003，33（4）：394-396，400.

[5] 趙樹剛. 高速永磁無刷直流電動機及其控制系統的研究[D]. 濟南：山東大學，2018.

（編輯" 楊凱麟）