不同測(cè)試方法對(duì)電動(dòng)機(jī)效率的影響

顧德軍

(上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063)

0 引言

最新發(fā)布的IEC 60034-30:2008“單速，三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的能效分級(jí)(IE代碼)”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:效率的測(cè)試方法要參照IEC 60034-2-1(2007版)，對(duì)IE1(普通效率)及以下能效指標(biāo)的電動(dòng)機(jī)，可以采用中和低不確定度的測(cè)試方法，對(duì)于IE2(高效率)及以上效率指標(biāo)的電動(dòng)機(jī)，只能采用低不確定度的測(cè)試方法。在IEC 60034-2-1(2007版)中，取消了歐盟及中國(guó)能效現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)所依據(jù)的按輸入功率0.5%估算雜散損耗的測(cè)試方法，并明確反轉(zhuǎn)法為高不確定度的雜散損耗測(cè)試方法，歐盟新推出的EH-star法為中不確定度的雜散損耗測(cè)試方法，美國(guó)的IEEE 112B法為低不確定度的雜散損耗測(cè)試方法。

我國(guó)目前Y、Y2、Y3、YX3等系列電動(dòng)機(jī)均采用按輸入功率0.5%估算雜散損耗的測(cè)試方法。高效率電動(dòng)機(jī)采用新測(cè)試方法的實(shí)施，對(duì)電動(dòng)機(jī)的效率測(cè)試值有一定的影響。

1 測(cè)試方法對(duì)比

采用按輸入功率0.5%估算雜散損耗的測(cè)試方法和IEEE 112B法對(duì)電動(dòng)機(jī)的效率影響是不同的。根據(jù)國(guó)外有關(guān)資料顯示，采用按輸入功率0.5%估算雜散損耗的測(cè)試方法所測(cè)得的效率指標(biāo)比IEEE 112B法約高1.2%，這些數(shù)據(jù)很接近這兩種試驗(yàn)方法所測(cè)雜散損耗的差值，兩者僅相差0.1%～0.2%。在國(guó)際開(kāi)發(fā)署的支持下，美國(guó)和歐洲的電動(dòng)機(jī)工作者進(jìn)行了頻率為50 Hz、功率范圍0.75～375 kW、共36臺(tái)樣機(jī)所測(cè)效率值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的調(diào)查分析，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 采用0.5%P1估算雜散損耗和IEEE 112B所測(cè)效率值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

從表1可看出，對(duì)于同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，采用不同的測(cè)試方法，效率值是不同的，采用IEEE 112B法測(cè)試效率指標(biāo)要低一些。IEC 60034-30“單速，三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的能效分級(jí)(IE代碼)”對(duì)效率指標(biāo)的制訂，也考慮了目前采用按輸入功率0.5%估算雜散損耗的測(cè)試方法與IEEE 112B法對(duì)效率的影響。表2為兩種效率測(cè)試方法的比較。

表2 采用0.5%P1估算雜散損耗和IEEE 112B法的比較

通過(guò)表2可知，IEEE 112B法與按輸入功率0.5%估算雜散損耗的測(cè)試方法最大的不同就是實(shí)測(cè)雜散損耗和繞組損耗溫度修正。下文就這兩方面對(duì)效率測(cè)試值的影響進(jìn)行分析。

2 雜散損耗的影響

2.1 目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品實(shí)測(cè)雜散損耗分布的規(guī)律

IEEE 112B法實(shí)測(cè)電動(dòng)機(jī)雜散損耗的試驗(yàn)方法對(duì)設(shè)計(jì)的影響，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)雜散損耗分布的規(guī)律。因此，整理了108臺(tái)頻率為60 Hz的電動(dòng)機(jī)和53臺(tái)50 Hz電動(dòng)機(jī)采用IEEE 112B法實(shí)測(cè)雜散損耗的數(shù)據(jù)，不同功率等級(jí)電動(dòng)機(jī)雜散損耗與額定功率的比值分別如圖1、2所示。

圖1 60 Hz電動(dòng)機(jī)雜散損耗與額定功率的比值

圖2 50 Hz電動(dòng)機(jī)雜散損耗與額定功率的比值

通過(guò)圖1和圖2可以看出:按IEEE 112B法實(shí)測(cè)電動(dòng)機(jī)雜散損耗與額定功率的比值隨著功率的增大逐漸減小，60 Hz電動(dòng)機(jī)的這種趨勢(shì)比較明顯，同時(shí)60 Hz電動(dòng)機(jī)平均雜散損耗較50 Hz電動(dòng)機(jī)小，可能是由于出口美國(guó)的尼瑪電動(dòng)機(jī)采用IEEE 112B法測(cè)試，生產(chǎn)廠(chǎng)家比較重視雜散損耗的控制;對(duì)于50 Hz電動(dòng)機(jī)平均雜散損耗偏高的問(wèn)題，這主要是由于我國(guó)現(xiàn)行的 Y、Y2、Y3、YX3等系列電動(dòng)機(jī)采用按輸入功率0.5%估算雜散損耗的測(cè)試方法，廠(chǎng)家對(duì)實(shí)際雜散損耗的控制沒(méi)有重視，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的雜散損耗值偏高。

因此，采用IEEE 112B法測(cè)試后，電動(dòng)機(jī)的雜散損耗實(shí)測(cè)值要比按輸入功率0.5%估算雜散損耗的計(jì)算值大，效率比按輸入功率0.5%估算雜散損耗的測(cè)試方法要小。雜散損耗與額定功率的比值隨著功率的增大而減小，效率的差值隨著功率的增大而變小。電動(dòng)機(jī)的雜散損耗值與電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案和工藝有很大的關(guān)系，必須尋求降低雜散損耗的措施，降低電動(dòng)機(jī)的雜散損耗。

2.2 降低雜散損耗的措施

雜散損耗主要是指由氣隙磁場(chǎng)高次諧波所產(chǎn)生的負(fù)載雜散損耗，主要由表面損耗、橫向電流損耗、脈振損耗、高頻損耗、漏磁通損耗等組成。降低雜散損耗的措施主要有以下幾方面:

(1)改變槽配合，增加定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)，減小定、轉(zhuǎn)子齒諧波磁勢(shì)的幅值，采用近槽配合，減小諧波磁通的脈振，降低雜散損耗;

(2)適當(dāng)增大電動(dòng)機(jī)的氣隙，減小定、轉(zhuǎn)子諧波磁通幅值，降低雜散損耗;

(3)定子繞組采用包含較小諧波成分的繞組或適當(dāng)節(jié)距的雙層繞組，如正弦繞組、單雙層繞組等，這些繞組所包含的相帶諧波成分都比單層繞組小，可以減小雜散損耗;

(4)工藝上可通過(guò)轉(zhuǎn)子槽絕緣處理工藝來(lái)降低轉(zhuǎn)子中的高頻橫向電流損耗;除了以上措施外，還可以采用其他措施降低雜散損耗，這里不再進(jìn)行表述。

3 溫升的影響

3.1 IEEE 112B法對(duì)定、轉(zhuǎn)子損耗的規(guī)定

IEEE 112B法與采用按輸入功率0.5%估算雜散損耗的測(cè)試方法相比，增加了繞組損耗溫度修正，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)定、轉(zhuǎn)子損耗的規(guī)定如下。

(1)定子繞組I2R損耗:

式中:I1——負(fù)載試驗(yàn)測(cè)得的線(xiàn)電流的平均值;

Rs——折算到規(guī)定溫度時(shí)的繞組端電阻;

RN——額定負(fù)載熱試驗(yàn)后測(cè)得的端電阻的平均值;

K1——導(dǎo)體材料在0℃時(shí)電阻溫度系數(shù)的倒數(shù);

θN——額定負(fù)載熱試驗(yàn)測(cè)得的繞組最高溫度;

θa——熱試驗(yàn)環(huán)境溫度。

(2)轉(zhuǎn)子銅耗的計(jì)算公式為

式中:P1——輸入功率;

Pcul——規(guī)定溫度下定子繞組I2R損耗;

PFe——鐵耗;

SS——規(guī)定溫度下的轉(zhuǎn)差率;

S——負(fù)載試驗(yàn)時(shí)的轉(zhuǎn)差率;

K1——導(dǎo)體材料在0℃時(shí)電阻溫度系數(shù)的倒數(shù);

θN——額定負(fù)載熱試驗(yàn)測(cè)得繞組最高溫度;

θa——熱試驗(yàn)環(huán)境溫度;

θt——試驗(yàn)時(shí)各負(fù)載點(diǎn)的定子繞組溫度。

通過(guò)式(1)～(4)可以看出，定、轉(zhuǎn)子銅耗與電動(dòng)機(jī)的溫升成正比，隨著電動(dòng)機(jī)溫升的升高損耗增加，隨著溫升的降低損耗減小。

3.2 對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)4臺(tái)電動(dòng)機(jī)的外風(fēng)扇進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而改變通風(fēng)系統(tǒng)的冷卻風(fēng)量，改變電動(dòng)機(jī)的溫升，采用IEEE 112B法進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 溫升對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3可以看出，增大外風(fēng)扇，冷卻風(fēng)量增加、電動(dòng)機(jī)溫升降低，定、轉(zhuǎn)子損耗值下降，由于定、轉(zhuǎn)子損耗降低幅度超過(guò)了機(jī)械損耗增加的幅度，效率都有所提高。

一臺(tái)電動(dòng)機(jī)需要的冷卻風(fēng)量與其實(shí)際的損耗有關(guān)，當(dāng)冷卻風(fēng)量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱與散熱達(dá)到平衡后，溫升基本穩(wěn)定。因此，過(guò)大的冷卻風(fēng)量冷卻效果不一定好，反而增大了機(jī)械損耗。采用IEEE 112B法測(cè)試時(shí)，定、轉(zhuǎn)子銅耗與溫升成正比例關(guān)系，這兩個(gè)參數(shù)與冷卻風(fēng)量(機(jī)械損耗)的變化是相反的。在材料不變的情況下，通過(guò)增大冷卻風(fēng)量降低溫升，溫升的下降使得定、轉(zhuǎn)子銅耗下降，同時(shí)增大冷卻風(fēng)量導(dǎo)致機(jī)械損耗上升，如果定、轉(zhuǎn)子銅耗下降幅度大于機(jī)械損耗上升幅度，效率就會(huì)提高，反之，效率就會(huì)下降。因此，電動(dòng)機(jī)材料用量、溫升與機(jī)械損耗三者合理匹配問(wèn)題需要進(jìn)行大量的工作，這對(duì)電動(dòng)機(jī)效率的提高也十分關(guān)鍵。

3.3 兩種試驗(yàn)方法對(duì)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的影響

通過(guò)上述分析可以看出，采用按輸入功率0.5%估算雜散損耗的測(cè)試方法，由于定、轉(zhuǎn)子損耗均換算到電阻基準(zhǔn)溫度130(B)級(jí)95℃、155(F)級(jí)115℃時(shí)進(jìn)行，與電動(dòng)機(jī)的實(shí)際溫升無(wú)關(guān)。在其他性能指標(biāo)合格的情況下，對(duì)于溫升不高的電動(dòng)機(jī)，可以通過(guò)減小風(fēng)扇，降低機(jī)械損耗，提高電動(dòng)機(jī)的效率，同時(shí)降低通風(fēng)噪聲。雖然降低冷卻風(fēng)量提高了電動(dòng)機(jī)的溫升，減小了溫升裕度，但溫升還在標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定范圍內(nèi)。通過(guò)減小風(fēng)扇提高效率的方法經(jīng)常被設(shè)計(jì)者采用，效果也很好。

如果采用IEEE 112B法，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到電動(dòng)機(jī)溫升對(duì)效率的影響，盡量做到溫升與風(fēng)量的合理匹配，使定、轉(zhuǎn)子損耗與機(jī)械損耗的關(guān)系達(dá)到最佳，而單純采用降低機(jī)械損耗的方法不一定能提高電動(dòng)機(jī)的效率。從電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，對(duì)于小功率的電動(dòng)機(jī)，由于溫升較低，可以采用低的電阻基準(zhǔn)溫度進(jìn)行計(jì)算，貼近試驗(yàn)值，對(duì)于大功率電動(dòng)機(jī)，則必須控制電動(dòng)機(jī)溫升不能太高，否則會(huì)導(dǎo)致效率大幅下降。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著IEC 60034-30:2008標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化工作也已開(kāi)始，為適應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品出口的需要，電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)高效率電動(dòng)機(jī)的研制工作也在加緊進(jìn)行。試驗(yàn)方法的改變，對(duì)電動(dòng)機(jī)效率的影響很大，也影響電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)思路，隨著高效率電動(dòng)機(jī)的研制和生產(chǎn)，IEEE 112B法的使用會(huì)更加廣泛，這要求電動(dòng)機(jī)的制造廠(chǎng)對(duì)設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)要求更高，通過(guò)采用技術(shù)和工藝制造手段降低雜散損耗、選擇合適的溫升、合理的匹配電動(dòng)機(jī)的風(fēng)路結(jié)構(gòu)，通過(guò)多種措施的實(shí)施，生產(chǎn)出性?xún)r(jià)比較高的高效率電動(dòng)機(jī)。

［1］IEC 60034-30:2008，單速，三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的能效分級(jí)(IE代碼)［S］.2008.

［2］IEC 60034-2-1:2007，Standard methods for determining losses and efficiency from tests(excluding machines for traction vehicles)［S］.2007.

［3］陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)［M］.2版，北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［4］秦和.電動(dòng)機(jī)效率測(cè)定方法的進(jìn)展［J］.中小型電機(jī)，2004，31(1):65-74.

［5］張鳳，顧德軍，葛榮長(zhǎng)，等.符合IEC高效(IE2)、超高效(IE3)效率等級(jí)的電動(dòng)機(jī)降低損耗措施的研究［J］. 電機(jī)控制與應(yīng)用，2009，36(10):19-23.