基于工藝改進(jìn)的高效電機(jī)損耗降低研究

雷奶華

(寧德出入境檢驗(yàn)檢疫局 福建福安 355017)

1 前言

節(jié)能減排已成為我國(guó)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)重要而緊迫的任務(wù)，從節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境出發(fā)，高效率電動(dòng)機(jī)是目前的國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)，美國(guó)、加拿大、歐洲相繼頒布了有關(guān)法規(guī)。歐盟采用的IEC 60034－30標(biāo)準(zhǔn)將電機(jī)效率分為IE1(對(duì)應(yīng)eff2)、IE2(對(duì)應(yīng) eff1)、IE3、IE4(最高)四個(gè)等級(jí)。2006年我國(guó)發(fā)布的能效限值標(biāo)準(zhǔn)GB18613－2006《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》，標(biāo)準(zhǔn)參考了歐盟能效標(biāo)準(zhǔn)，從2011年7月1日起我國(guó)電機(jī)能效執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)中的能效2級(jí)。推廣中國(guó)高效率電動(dòng)機(jī)是非常有必要的，這是產(chǎn)品發(fā)展的要求，使我國(guó)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品跟上國(guó)際發(fā)展潮流，同時(shí)也有利于推進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品出口的需要。

2 高效電機(jī)能效的檢測(cè)

效率是以同一單位表示的輸出功率與輸入功率之比，輸出功率等于輸入功率減去總損耗，總損耗主要由定子銅耗Pculs、鐵耗PFe、轉(zhuǎn)子銅耗Pcu2s、雜散耗Ps以及機(jī)械耗Pfw五部分組成。高效電機(jī)的檢測(cè)采用的是GB1032中的B法，即損耗分析及輸入－輸出法間接測(cè)量雜散損耗。相對(duì)于E法，B法對(duì)電機(jī)檢測(cè)儀器提出了更高的要求，互感器和轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x要求的準(zhǔn)確度等級(jí)從0.5級(jí)提高到0.2級(jí)。從根本上來(lái)說(shuō)，B法為測(cè)量輸入－輸出功率的損耗分析法，而E法為損耗分析及測(cè)量電功率法;B法采用的是使用轉(zhuǎn)矩測(cè)量裝置，根據(jù)測(cè)試結(jié)果求取負(fù)載雜散損耗值，而E法不測(cè)量轉(zhuǎn)矩，采用推薦的負(fù)載雜散損耗值(通常是0.5%);B法通過(guò)測(cè)量輸入輸出的轉(zhuǎn)矩來(lái)分析損耗，而E法主要是通過(guò)電流和電阻進(jìn)行計(jì)算得出。相當(dāng)于B法是直接測(cè)量電機(jī)的真實(shí)輸入－輸出情況進(jìn)行分析損耗，而E法采用等效電阻進(jìn)行損耗分析，對(duì)損耗采用的測(cè)功機(jī)上的空載和負(fù)載試驗(yàn)完成?？蛰d試驗(yàn)主要檢測(cè)出鐵耗和機(jī)械耗，而負(fù)載試驗(yàn)主要檢測(cè)定轉(zhuǎn)子銅耗和雜散耗。提高高效電機(jī)的效率必須要降低電機(jī)的各種損耗。

3 基于工藝改進(jìn)的損耗降低

3.1 降低定子銅耗工藝

定子銅耗是電機(jī)損耗的一個(gè)重要部分，根據(jù)定子銅耗的計(jì)算公式Pculs=1.5I12Rs，其中I1為負(fù)載狀態(tài)下測(cè)得線電流，RS為換算到規(guī)定溫度的定子繞組值。定子銅耗是由負(fù)載狀態(tài)下測(cè)得的線電流與基準(zhǔn)溫度下的定子繞組值決定的，要降低定子銅耗就要減小定子繞組的值和負(fù)載電流。降低定子銅耗可采用的工藝措施主要有如下:(1)改進(jìn)沖片工藝。中小型電機(jī)沖片都是用沖床沖孔工藝制造，經(jīng)沖剪加工的邊緣由于彈性變形產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致硅鋼片的磁性能降低，使定子銅耗增加。消除硅鋼片沖剪后產(chǎn)生的沖剪應(yīng)力，通?？蛇x擇合適的退火處理工藝。目前很多小型的電動(dòng)機(jī)已經(jīng)開(kāi)始采用高速?zèng)_床，高速?zèng)_對(duì)硅鋼片的變形影響小，不用退火工藝就能很好地滿足要求［1］;(2)提高疊片質(zhì)量。嚴(yán)格保證槽形尺寸，保證疊片整齊，能有效減少齒外脹，保證硅鋼片表面的絕緣層。沖剪片后產(chǎn)生的毛刺使疊壓系數(shù)降低，鐵心齒部彈開(kāi)度大于允許值，定子齒、軛的截面積減小，形成的定轉(zhuǎn)子磁通密度增大，從而造成定子電流大，定子銅耗大，效率低;(3)優(yōu)選低電阻率電磁線。電阻率低的電磁線，用于相同定子生產(chǎn)中將會(huì)有效地降低定子繞組值，從而降低定子銅耗。中小型電機(jī)電磁線的選擇除性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn) GB/T4074－2008(等同采用IEC60851)，電阻率一定要低，最大限度的降低定子銅耗。通常較好的銅漆包線，室溫下電阻率一般小于0.017Om為宜。

3.2 降低機(jī)械耗工藝

機(jī)械耗的產(chǎn)生主要由通風(fēng)損耗、軸承摩擦損耗、密封圈摩擦損耗以及轉(zhuǎn)子不平衡和裝配偏心引起，在檢測(cè)中通常也稱為風(fēng)摩耗，采用空載試驗(yàn)進(jìn)行求取，在不同負(fù)載下的風(fēng)摩耗基本上是相同的。降低機(jī)械耗主要依據(jù):(1)轉(zhuǎn)子平衡控制。控制轉(zhuǎn)子機(jī)械平衡是降低機(jī)械耗必不可少的工藝。轉(zhuǎn)子的平衡主要有靜平衡與動(dòng)平衡兩種。靜平衡的轉(zhuǎn)子在電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)不一定動(dòng)平衡，但動(dòng)平衡的轉(zhuǎn)子一定會(huì)靜平衡。所以中小型電機(jī)轉(zhuǎn)子僅校靜平衡是不夠的，由于轉(zhuǎn)子速度較高，必須校動(dòng)平衡［2］;(2)裝配偏心控制。生產(chǎn)加工時(shí)容易產(chǎn)生變形，而在裝配時(shí)精度要求又較高，從而造成裝配偏心增大機(jī)械耗。一方面定子壓鑄時(shí)盡可能采用熱套的工藝，用感應(yīng)加熱器使機(jī)殼受熱膨脹，而后壓入定子，熱套工藝的使用可以在一定程度上減小壓定子產(chǎn)生的機(jī)殼變形和裝配偏心。另一方面采用硬度較好的合金端蓋，并盡可能用外接鏍栓來(lái)固定以減少偏心的可能。在車前后端蓋止口時(shí)采用合理的工裝，使其在加工時(shí)不容易變形，以尋找較好的精度;(3)降低摩擦產(chǎn)生的損耗。一是軸承外圈與軸承室的配合，并盡量采取中間公差，加強(qiáng)形位公差的控制，其徑向間隙宜在3－9μm的范圍內(nèi);二是為消除轉(zhuǎn)子的軸向間隙，必須對(duì)軸承施加適當(dāng)?shù)膲毫?，一般選用波形彈簧墊圈或三點(diǎn)式彈性墊圈，且以放在軸伸端為宜;三是選用優(yōu)質(zhì)低摩擦軸承、摩擦阻力小的潤(rùn)滑脂、密封圈，降低摩擦損耗［2］;四是零部件尺寸采用中間公差及提高形位公差精度。

3.3 降低雜散損耗工藝

負(fù)載雜散損耗是指總損耗中未計(jì)入定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗及機(jī)械耗之和的那一部分損耗。降低雜散耗采用的工藝措施主要有:(1)采取轉(zhuǎn)子表面熱處理工藝。適當(dāng)增加鑄鋁轉(zhuǎn)子與鐵心間的表面接觸電阻，可有效降低雜散耗。通常采用沖片氧化處理法、脫殼處理法、轉(zhuǎn)子表面燒焙法、堿洗法或轉(zhuǎn)子槽絕緣處理等方法進(jìn)行處理。最經(jīng)常采用的是燒焙法，也就是采取轉(zhuǎn)子表面熱處理工藝。國(guó)外有一些生產(chǎn)廠家在鑄鋁前將轉(zhuǎn)子浸入硼沙液中，在槽內(nèi)形成涂層，有效降低雜散損耗，但成本較高。國(guó)內(nèi)中小型的高效電機(jī)制造廠采用轉(zhuǎn)子脫殼工藝來(lái)降低雜耗;(2)減小槽口寬。中小型電機(jī)開(kāi)槽將使氣隙磁導(dǎo)不均勻，導(dǎo)致表面損耗大，在生產(chǎn)中采用磁性槽楔相當(dāng)于縮小槽口寬，能有效削弱齒槽效應(yīng)，降低了定、轉(zhuǎn)子齒內(nèi)的平均磁密，降低勵(lì)磁電流減小雜散耗。對(duì)于低壓中小型電機(jī)磁性槽楔受尺寸限制，工藝上很難實(shí)現(xiàn)［3］，再加上如果定、轉(zhuǎn)子一次沖成，氣隙不另外加工，工藝難度較大。在實(shí)際生產(chǎn)中可以適當(dāng)?shù)販p小槽口寬，再采用磁性槽楔，能有效提高效率并可以減小溫升;(3)應(yīng)用斜槽。精確控制斜槽度，應(yīng)用特殊斜槽，高次諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩和齒諧波大大削弱，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子均應(yīng)采取斜槽措施。目前在生產(chǎn)中 斜槽有兩種形式，一種是導(dǎo)條沿轉(zhuǎn)子圓周扭斜一個(gè)角度;另一種是“人字形斜槽”，導(dǎo)條對(duì)稱于鐵心中線沿圓周向同一方向扭斜一電角度［3］;(4)調(diào)整電磁設(shè)計(jì)方案，選用合理槽形、槽配合，采用“正弦”繞組以削弱合成磁場(chǎng)中的高次諧波，削弱雜散附加損耗。

3.4 降低鐵耗工藝

鐵耗和風(fēng)摩耗(機(jī)械耗)在檢測(cè)的過(guò)程中由電機(jī)的空載試驗(yàn)來(lái)確定，鐵耗通常總損耗的20%左右，在定子或轉(zhuǎn)子鐵心中產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗組成，通常情況下轉(zhuǎn)子鐵心損耗很小，忽略不計(jì)。降低鐵耗可采取如下措施:(1)合理選擇硅鋼片牌號(hào)。定子電流對(duì)定子銅耗影響最大，電流增大是導(dǎo)致定子銅耗大幅度增加的一個(gè)主要原因。高導(dǎo)磁、低損耗的導(dǎo)磁材料是高效率電機(jī)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。高效電機(jī)硅鋼片的合理選擇尤其重要，小功率電機(jī)因空載電流占滿載電流的比例較大，所以應(yīng)考慮采用導(dǎo)磁性能好的硅鋼片，這樣在相同磁通密度下，產(chǎn)生激磁電流較小，定子電流的無(wú)功分量少，功率因數(shù)提高，定子電流小，定子銅耗少;(2)減少基波鐵損耗的工藝。上調(diào)整槽形尺寸，選用合理的磁密，減少基波鐵損耗，盡可能的情況下提高槽滿率，壓縮繞組端部長(zhǎng)，槽滿率的提高，可有效降低基波鐵耗損，槽滿率對(duì)線圈的繞嵌提有了較高的要求［4］;(3)采用較薄冷軋片或無(wú)硅鋼片。盡可能的情況下采用低損耗的優(yōu)質(zhì)冷軋片，采用較薄硅鋼片，減少電機(jī)的渦流從而減小鐵損耗，很多小電機(jī)的制造可采用無(wú)硅鋼片，其磁感應(yīng)力很強(qiáng)，但沖片要求的速度和工藝都有非常高的要求，要進(jìn)行數(shù)控高速?zèng)_才能生產(chǎn)出滿足要求的定子。

3.5 降低轉(zhuǎn)子銅耗工藝

轉(zhuǎn)子銅耗檢測(cè)中，由等效電阻來(lái)計(jì)算得出，Pcu2s=(P1－ Pculs－PFe)·Ss，其中 Ss為規(guī)定溫度下的轉(zhuǎn)差率，降低轉(zhuǎn)子銅耗主要是要降低等效電阻值。

降低轉(zhuǎn)子銅耗可采取如下措施:

(1)采用銅轉(zhuǎn)子或是純度較高的鑄鋁。選用純度99%以上的鋁，可有效降低鋁的電阻率，或是直接采用銅轉(zhuǎn)子，由于銅轉(zhuǎn)子的電阻率比鋁低很多，大大降低轉(zhuǎn)子等效電阻值以減少轉(zhuǎn)子銅耗;(2)提高鑄鋁轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，避免細(xì)條、斷條和縮孔等制造缺陷，采用超聲波無(wú)損探傷對(duì)鑄鋁轉(zhuǎn)子的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，避免不合格鑄鋁轉(zhuǎn)子部件流入下道工序［5］;(3)設(shè)計(jì)時(shí)盡量增大轉(zhuǎn)子槽形，加大導(dǎo)條和端環(huán)截面積，降低轉(zhuǎn)子電阻。

4 實(shí)例

在工廠生產(chǎn)車間中選定1臺(tái)機(jī)座號(hào)為90的樣機(jī) MS90S－2，輸出功率為1.5kw，按 GB1032－2005《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》對(duì)樣機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，其效率為82.99%。改進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)工藝，采用相同的硅鋼片，但是進(jìn)行高速?zèng)_，提高疊片質(zhì)量，并按3.2與3.4要求的工藝提高轉(zhuǎn)子平衡，嚴(yán)格控制裝配偏心，對(duì)生產(chǎn)工藝改進(jìn)前后的樣機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，所得到的各種損耗和效率如表1所示。改進(jìn)工藝后樣機(jī)檢測(cè)的負(fù)載曲線和空載曲線如圖1和圖2所示，樣機(jī)的效率增加為86.31%，效率提高了近4個(gè)點(diǎn)多。其中定子銅耗和鐵耗減小最為明顯，銅耗減小了近1/3，鐵耗減小了1/4。硅鋼片的沖片和轉(zhuǎn)子平衡對(duì)定子銅耗成效明顯，但雜散損耗幾乎沒(méi)有變化，也即是說(shuō)降低雜散損耗應(yīng)該在設(shè)計(jì)上多下功夫才能成功。

5 結(jié)語(yǔ)

在高效電機(jī)效率的提高中，通常采用的改進(jìn)工藝為提高鐵心的制造質(zhì)量、保證裝配的同心度、控制轉(zhuǎn)子平衡以及減小摩擦。在降低電機(jī)總損耗上，主要是針對(duì)定子銅耗、鐵耗和機(jī)械耗進(jìn)行電機(jī)生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，而轉(zhuǎn)子銅耗和雜散耗的減小更多地應(yīng)該改進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)，選擇良好的硅鋼片，增加鐵芯長(zhǎng)度以及提高轉(zhuǎn)子質(zhì)量等。在樣機(jī)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝同共進(jìn)步下才能有效地提高高效電機(jī)的效率水平，達(dá)到更加節(jié)能的目的。

表1 工藝改進(jìn)前后的損耗檢測(cè)

圖1 工藝改進(jìn)后負(fù)載檢測(cè)曲線

圖2 工藝改進(jìn)后空載檢測(cè)曲線

［1］ 賀勝?gòu)?qiáng).提高小型電機(jī)效率的方法［J］.防爆電機(jī)2010，5:38－40.

［2］ 雷奶華，溫韻光.淺析鋁殼電動(dòng)機(jī)的機(jī)械噪聲［J］.電機(jī)技術(shù)，2008，3:54 －56.

［3］ 梁寶貴.超高效電機(jī)效率實(shí)現(xiàn)途徑之探討［J］.電機(jī)技術(shù)，2010，4:39 －42.

［4］ 程岷沙.電機(jī)磁噪聲的控制［J］.重慶工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2001，16(2):59 －61.

［5］ 尤中平，談緯紅.降低鋁殼電動(dòng)機(jī)噪聲的實(shí)用方法［J］.電機(jī)技術(shù)，2008，3:57 －58.