溫升對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)效率的影響*

姚 鵬， 王鴻鵠， 葛榮長(zhǎng)， 顧德軍， 吳艷紅

(上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海電科電機(jī)科技有限公司，上海 200063)

0 引言

國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)于2008年正式發(fā)布了“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)，將電動(dòng)機(jī)能效分為標(biāo)準(zhǔn)效率IE1、高效率IE2、超高效率IE3三個(gè)等級(jí)。在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定:對(duì)IE1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)試方法來(lái)測(cè)試雜散損耗，對(duì)于IE2及以上效率指標(biāo)的電動(dòng)機(jī)，要采用低不確定度的測(cè)試方法，即 IEEE112B 法［1］。

實(shí)測(cè)電機(jī)定子銅耗。在以前的電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法(E法)中，定轉(zhuǎn)子損耗推算到繞組電阻的基準(zhǔn)溫度進(jìn)行考核，130(B)級(jí)絕緣基準(zhǔn)溫度為95℃，155(F)級(jí)為115℃。新的試驗(yàn)方法(IEEE112B法)中，定轉(zhuǎn)子損耗按電機(jī)實(shí)際溫升加25℃來(lái)考核。當(dāng)130(B)級(jí)絕緣電機(jī)溫升為70 K、155(F)級(jí)絕緣電機(jī)溫升為90 K時(shí)，兩種試驗(yàn)方法匹配，而在其他溫升下，兩種試驗(yàn)方法均不匹配。E法中電機(jī)的實(shí)際溫升沒(méi)有被考慮，即電機(jī)風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)量、風(fēng)壓和電機(jī)溫升沒(méi)有被考慮，只考慮了風(fēng)扇所引起的機(jī)械損耗，使用該測(cè)試方法，電機(jī)風(fēng)扇的大小與定轉(zhuǎn)子損耗之間沒(méi)有直接聯(lián)系。在IEEE112B法中，考慮了電機(jī)的實(shí)際溫升對(duì)效率的影響，為此電機(jī)風(fēng)扇的性能必須予以重視。

我國(guó)低壓電機(jī)產(chǎn)品Y2、Y3、YX3系列都是以輸入功率的0.5%估算雜散損耗的，用95℃時(shí)的定轉(zhuǎn)子損耗計(jì)算電機(jī)效率。在新的試驗(yàn)方法下，這些產(chǎn)品很難滿(mǎn)足電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)，必須對(duì)電機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。國(guó)家科技部于2008年下達(dá)了科技支撐計(jì)劃“高效、超高效電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)及測(cè)試技術(shù)研究”任務(wù)，由上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司主持，并組織行業(yè)有關(guān)骨干企業(yè)聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)符合新的IEC能效標(biāo)準(zhǔn)的高效率(IE2)、超高效率(IE3)電動(dòng)機(jī)。

1 通風(fēng)對(duì)機(jī)械損耗和散熱的影響

用B法進(jìn)行電機(jī)試驗(yàn)時(shí)，在同樣的負(fù)載情況下風(fēng)扇的通風(fēng)損耗［2］為

式中:Pf——風(fēng)扇通風(fēng)損耗;

PtF——風(fēng)扇全壓;

Qv——風(fēng)量;

η——風(fēng)扇效率。

假定選用同一型式的風(fēng)扇，即風(fēng)扇葉片數(shù)、風(fēng)葉軸面流速相同，風(fēng)扇的形狀相似，且不考慮風(fēng)罩影響的情況下，可以得到:

式中:ψt——經(jīng)驗(yàn)系數(shù);

ρ——空氣密度;

D——風(fēng)扇外徑;

n——風(fēng)扇轉(zhuǎn)速;

b——風(fēng)扇寬。

在假定風(fēng)扇效率相同時(shí)，可以推出如下近似關(guān)系:

式中:S——風(fēng)扇的風(fēng)葉面積。

可得到風(fēng)速與風(fēng)扇全壓的關(guān)系為

物體表面散熱系數(shù)［3］:

式中:λ——流體導(dǎo)熱系數(shù);

l——電機(jī)機(jī)座外表面特征尺寸;

Re——雷諾數(shù)，Re=vl/γ;

γ——流體的粘度系數(shù);

Pr——普朗特?cái)?shù)(氣體的普朗特?cái)?shù)一般為0.6～0.7)。

通過(guò)以上分析可看出，當(dāng)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)不變的情況下，風(fēng)速越高，則電機(jī)表面散熱系數(shù)越大，電機(jī)的散熱效果越好。

2 異步電動(dòng)機(jī)損耗分布

要減小電機(jī)損耗，提高電機(jī)效率，就必須分析電機(jī)的損耗分布，找出影響電機(jī)效率的主要因素。通過(guò)試驗(yàn)可知小電機(jī)的銅耗所占比例很大，最多約可達(dá)到總損耗的70%，大規(guī)格異步電機(jī)的銅耗比例相對(duì)較小。

電機(jī)空載時(shí):

式中:U——電機(jī)端電壓;

E——相電動(dòng)勢(shì);

f——電源頻率;

N——每相串聯(lián)匝數(shù);

Φ——每極磁通;

Kdp1——電機(jī)繞組系數(shù)。

可以得到:當(dāng)電機(jī)端電壓相同、頻率相同、電機(jī)繞組系數(shù)相同時(shí)，電機(jī)每相串聯(lián)匝數(shù)與每極磁通成反比。小電機(jī)體積小，當(dāng)電機(jī)氣隙磁密控制在合理范圍內(nèi)時(shí)，小電機(jī)磁通相對(duì)較少，線圈匝數(shù)較多。再加上繞組線徑受到電機(jī)定子槽面積限制，導(dǎo)致小電機(jī)的線徑小、匝數(shù)多，相電阻較大，銅耗所占比例也相應(yīng)較大。為得到各電機(jī)的損耗分布，選用了不同機(jī)座號(hào)的6臺(tái)樣機(jī)做驗(yàn)證性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各型號(hào)電動(dòng)機(jī)損耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出:不同功率電機(jī)的損耗主要為定、轉(zhuǎn)子銅耗和鐵耗，且各損耗隨著電機(jī)功率的增大而增大。為便于分析損耗變化，將銅耗和鐵耗隨機(jī)座號(hào)變化的趨勢(shì)繪制成曲線，如圖1所示。

圖1 電機(jī)銅耗和鐵耗所占百分比

從圖1中可以看到:小電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子銅耗所占比例較高，隨著中心高的增加，銅耗比例呈下降趨勢(shì)，鐵耗比例逐漸上升。

3 溫升對(duì)電機(jī)效率影響的驗(yàn)證

由于小電機(jī)銅耗所占比例大，在IEEE112B法中定、轉(zhuǎn)子損耗與電機(jī)溫升緊密相關(guān)，因此研究小電機(jī)的溫升情況，對(duì)提高電機(jī)效率、有效節(jié)約能源具有重要意義。

電機(jī)的鐵耗為不變損耗，其大小與磁場(chǎng)頻率、強(qiáng)度和硅鋼片特性有關(guān)。電機(jī)銅耗和鋁耗為可變損耗，采用112B法檢測(cè)時(shí)與電機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。在原有風(fēng)扇基礎(chǔ)上:

(1)當(dāng)減小電機(jī)風(fēng)扇葉片面積時(shí)，電機(jī)的機(jī)械損耗減小，但是電機(jī)的溫升必然提高，則定轉(zhuǎn)子繞組的電阻必然增大，電機(jī)銅耗上升，溫升繼續(xù)增大，按此循環(huán)，直至發(fā)熱和散熱達(dá)到新的平衡。

(2)當(dāng)增大電機(jī)風(fēng)扇葉片面積時(shí)，電機(jī)的機(jī)械損耗增大，但是電機(jī)的溫升必然下降，則定、轉(zhuǎn)子繞組的電阻必然減小，電機(jī)銅耗下降，溫升繼續(xù)降低，按此循環(huán)，直至發(fā)熱和散熱達(dá)到新的平衡。

通過(guò)上面分析比較可以看出，增大或減小風(fēng)扇將直接影響電機(jī)的銅耗和機(jī)械損耗，且這兩種損耗的變化趨勢(shì)相反。根據(jù)原來(lái)的測(cè)試方法(E法)，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、減小溫升裕度，來(lái)提高電動(dòng)機(jī)的效率。采用IEEE112B法，電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)就須考慮到電動(dòng)機(jī)的溫升對(duì)效率的影響，電機(jī)溫升與風(fēng)量的合理匹配，不能單純采用降低機(jī)械損耗的方法來(lái)提高電動(dòng)機(jī)的效率。

3.1 有無(wú)風(fēng)扇對(duì)比試驗(yàn)

研究在相同材料用量下電動(dòng)機(jī)溫升與機(jī)械損耗的合理匹配問(wèn)題，對(duì)提高高效、超高效電動(dòng)機(jī)的效率十分關(guān)鍵。為了驗(yàn)證溫升對(duì)電機(jī)效率的影響，針對(duì)電機(jī)溫升情況作了一系列試驗(yàn)。由于改動(dòng)風(fēng)扇對(duì)電機(jī)鐵耗影響很小，所以試驗(yàn)數(shù)據(jù)中沒(méi)有進(jìn)行電機(jī)鐵耗的分離。在YX3系列高效電機(jī)型式試驗(yàn)中，小電機(jī)的溫升很低，如90S-4 1.1 kW電機(jī)的溫升只有34.4 K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電機(jī)絕緣的溫升限值80 K，所以在同一臺(tái)電機(jī)上不安裝風(fēng)扇做對(duì)比試驗(yàn)，希望通過(guò)降低機(jī)械損耗來(lái)提高電機(jī)的效率。表2為YX3系列80、90機(jī)座號(hào)4個(gè)規(guī)格樣機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

表2 有無(wú)風(fēng)扇對(duì)比

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在YX3小規(guī)格電機(jī)無(wú)風(fēng)扇的情況下，機(jī)械損耗有所下降;電機(jī)表面風(fēng)量減小導(dǎo)致了溫升提高，電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子銅耗相應(yīng)增加。電機(jī)總損耗增加，電機(jī)效率為下降趨勢(shì)。

3.2 減小風(fēng)扇對(duì)比試驗(yàn)

在稍大的機(jī)座號(hào)試驗(yàn)中，電機(jī)的溫升有所提高，如YE2系列電機(jī)中160M-4和180M-4的溫升分別為51.0 K和49.4 K，與溫升限值相比差距仍較大，所以考慮在試驗(yàn)中通過(guò)減小風(fēng)扇來(lái)小幅提高電機(jī)溫升做對(duì)比試驗(yàn)(YE2系列電機(jī)與YX3系列電機(jī)采用相同類(lèi)型的風(fēng)扇，且4極和6極同系列相同機(jī)座號(hào)電機(jī)風(fēng)扇相同)。試驗(yàn)中將160M-4風(fēng)扇外徑由180 mm減小到160 mm;YE2-180-2、4極電機(jī)的風(fēng)扇葉片數(shù)都為7片，4極風(fēng)扇的外徑為220，2極的為180，試驗(yàn)中180-4電機(jī)使用180-2的風(fēng)扇做對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果對(duì)比如表3所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，減小了風(fēng)扇外徑，提高了電機(jī)溫升，電機(jī)的機(jī)械損耗下降，而定、轉(zhuǎn)子銅耗增加，電機(jī)效率變化很小。

表3 減小風(fēng)扇對(duì)比

通過(guò)上述兩組試驗(yàn)分析可知:在小電機(jī)設(shè)計(jì)中，不能通過(guò)減小風(fēng)扇降低機(jī)械損耗來(lái)提高電機(jī)效率。

3.3 增大風(fēng)扇對(duì)比試驗(yàn)

為驗(yàn)證增大風(fēng)扇對(duì)電機(jī)效率的影響，需要增大電機(jī)風(fēng)扇進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。由于受到條件限制，試驗(yàn)中樣機(jī)分別安裝了YX3和Y3的風(fēng)扇進(jìn)行試驗(yàn)。表4為電機(jī)使用風(fēng)扇情況和各種風(fēng)扇電機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

表4 YX3與Y3系列風(fēng)扇對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

相同風(fēng)扇類(lèi)型、不同葉片數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比:在表4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，YX3-112M-6，2.2 kW 和YE2-160M2-2，15 kW兩臺(tái)電機(jī)的2極風(fēng)扇葉片數(shù)均為5片，6極風(fēng)扇葉片數(shù)均為7片。在相同風(fēng)扇系列，即葉片面積和形狀相同的情況下，葉片數(shù)量越少，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片表面的脫流現(xiàn)象越嚴(yán)重、機(jī)械損耗越小、風(fēng)扇效率越低，這樣到達(dá)電機(jī)機(jī)殼表面風(fēng)量與風(fēng)速越小、散熱效果越差。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，YX3-112M-6電機(jī)用Y3的6極風(fēng)扇比用Y3的2極風(fēng)扇效率高0.52%;YE2-160M2-2電機(jī)用YE2的4極風(fēng)扇比用YE2的2極風(fēng)扇效率高0.02%。這驗(yàn)證了在用IEEE112B法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，小電機(jī)通過(guò)提高新系列電機(jī)的風(fēng)扇葉片數(shù)和葉片面積，增大機(jī)殼表面的風(fēng)量和風(fēng)速，提高電機(jī)效率較為明顯;較大機(jī)座號(hào)電機(jī)必須充分考慮機(jī)械損耗對(duì)電機(jī)損耗的影響。

相同葉片數(shù)、不同風(fēng)扇類(lèi)型試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比:在試驗(yàn)樣機(jī)中，Y3與YX3系列相同規(guī)格電機(jī)風(fēng)扇的葉片數(shù)相同。由表4中Y3系列相同極數(shù)風(fēng)扇的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出電機(jī)溫升都有不同程度的降低。這是由于Y3系列風(fēng)扇的葉片面積較大，導(dǎo)致Y3風(fēng)扇的風(fēng)量和風(fēng)壓要大于YX3系列風(fēng)扇，電機(jī)的散熱條件得到改善，電機(jī)溫升下降，同時(shí)伴隨著定、轉(zhuǎn)子銅耗的降低，機(jī)械損耗增加。用Y3系列風(fēng)扇電機(jī)效率為增加趨勢(shì)，效率增加值依次為 0.14%、0.73%、0.44%、0.08%，可見(jiàn)較小電機(jī)效率增加比較明顯。由上述可知:在新的試驗(yàn)方法下，較小電機(jī)通過(guò)適當(dāng)增大風(fēng)扇葉片面積來(lái)增大電機(jī)表面的風(fēng)量和風(fēng)壓，電機(jī)效率提高明顯。Y3系列風(fēng)扇本身的效率較YX3風(fēng)扇低，如果適當(dāng)增加效率較高風(fēng)扇，電機(jī)的散熱效果會(huì)更好，效率會(huì)比安裝Y3風(fēng)扇時(shí)得到進(jìn)一步提高。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)分析感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的損耗分布和通風(fēng)對(duì)電機(jī)溫升的影響，得到了在IEEE112B法中，溫升對(duì)小電機(jī)效率影響較大的結(jié)論。通過(guò)分析不同試驗(yàn)方法下風(fēng)扇的選擇方法，進(jìn)行了減小風(fēng)扇和增大風(fēng)扇的驗(yàn)證性試驗(yàn)，認(rèn)為在新設(shè)計(jì)電機(jī)中適當(dāng)增大風(fēng)扇可以提高小電機(jī)效率。上述分析和試驗(yàn)驗(yàn)證將為新系列電機(jī)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

［1］IEC60034-30，單速，三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的能效分級(jí)［S］.2009.

［2］張子中.風(fēng)扇型式對(duì)小型封閉式異步電動(dòng)機(jī)風(fēng)耗，溫升及噪聲的影響［J］.中小型電機(jī)，1999，26(3):23-24.

［3］魏永，孟大偉，溫嘉斌.電機(jī)內(nèi)熱交換［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.