提高三相異步電動機運行效能的分析與研究

摘 要：在能源日趨緊張的情況下，如何提高效率，節(jié)約能源逐漸成為了社會普遍關(guān)注的問題。電動機用電量在我國工業(yè)用電量中占有相當(dāng)大的比重，它的效率高低對能源消耗具有重要的影響。本次設(shè)計根據(jù)通用電機實際情況，就提高電動機效率進(jìn)行分析，主要包括：電磁優(yōu)化設(shè)計、低諧波定子繞組、鐵心材料，通過高效風(fēng)扇、電機溫升及噪聲、磁性槽楔對電機性能影響的研究與分析，達(dá)到電動機提高效能的目的。

關(guān)鍵詞：鐵心材料；磁性槽楔；效能

引言

近十幾年來，隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源的消耗日益增加，世界能源危機問題越來越突出，巨大的能源消耗引起的環(huán)境污染問題也日趨嚴(yán)重。我國在“十一五”期間開展了各方面的節(jié)能研究工作，重點在工業(yè)節(jié)能方面。若將電動機的平均效率提高，減少電能的損耗，使得發(fā)電量大大減少，從而達(dá)到減少能源消耗的目的。我國目前大量使用的Y系列、Y2系列電動機，基本上符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB18613-2002中的能效限定值的要求，該電動機的效率等級按照歐盟的標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)到EFF2級。但比歐盟的高效指標(biāo)EFF1低2～3個百分點，比美國的NEMAE低5～6個百分點，差距較大。

1 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)

三相異步電動機由定子和轉(zhuǎn)子兩個基本部分組成。三相異步電動機的定子由機座中的定子鐵心及定子繞組組成。機座一般由鑄鐵制成。定子鐵心是有沖有槽的硅鋼片疊成，片與片之間涂有絕緣漆。三相繞組是用絕緣銅線或鋁線繞制成三相對稱的繞組按一定的規(guī)則連接嵌放在定子槽中。轉(zhuǎn)子部分是由轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組組成的。轉(zhuǎn)子鐵心也是由相互絕緣的硅鋼片疊成的。鐵心外圓沖有槽，槽內(nèi)安裝轉(zhuǎn)子繞組。

2 三相異步電動機效能分析與研究

2.1 電磁優(yōu)化設(shè)計分析與研究

電機設(shè)計要講究各尺寸之間的合理匹配，即根據(jù)設(shè)計目標(biāo)要求選擇合理的電機尺寸以使電機達(dá)最優(yōu)化設(shè)計。對于電動機制造行業(yè)，在電動機本身的設(shè)計工作中，原材料用量和電機產(chǎn)品本身的性能指標(biāo)始終是需要很好平衡的一對矛盾。如何在有限的原材料用量，可行又經(jīng)濟(jì)的加工條件下，使電動機的各種損耗減小，從而提高其效率指標(biāo)，一直是電機電磁優(yōu)化設(shè)計的追求目標(biāo)。電機的優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵建立更加精確的數(shù)學(xué)模型和謀求更準(zhǔn)確的求解途徑。由于電機的設(shè)計變量不可能是理想的連續(xù)變量，其目標(biāo)函數(shù)和變量之間的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)無法用設(shè)計變量表達(dá)出來，這樣的函數(shù)往往是多峰值的函數(shù)，因而基于傳統(tǒng)的方法不能得到全局最優(yōu)解。于是一些新穎的優(yōu)化算法，如模糊算法、遺傳算法、模擬退火法等智能化算法開始引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視，而且在電機領(lǐng)域也越來越多被應(yīng)用，這些算法從理論上可以求得全局最優(yōu)解。當(dāng)然，隨著計算機技術(shù)及優(yōu)化理論的進(jìn)步，一些更新的算法或改進(jìn)的算法正在應(yīng)用到實際工程當(dāng)中。

2.2 鐵心材料的分析與研究

要降低鐵耗，除了增加硅鋼片的用量外，鐵芯材料的磁性能（導(dǎo)磁率和單位鐵損）對電機的鐵耗和其它性能影響很大。在較大功率電機中，鐵耗在總損耗中已占到相當(dāng)大的比重。目前，為了實現(xiàn)高效電機計劃，各國紛紛在新的材料成分、生產(chǎn)技術(shù)、開發(fā)精度及生產(chǎn)工藝等方面不斷改進(jìn)，以提高硅鋼片材料的性能。日本、美國、法國、德國及俄羅斯都在生產(chǎn)平均損耗P15/50=3.50～5.00W/kg、平均磁感B50=1.72～1.73T的0.5mm厚度規(guī)格的低碳、低硅高磁感硅鋼片。我國因使用低損耗的硅鋼片比較晚，因此硅鋼片產(chǎn)品性能與發(fā)達(dá)國家還有很大差距?，F(xiàn)階段我國高牌號低損耗高性能的硅鋼片價格因價格比較昂貴不被用戶接受，得不到普及，這既阻礙了我國高性能硅鋼片材料的發(fā)展，也是導(dǎo)致我國高壓電機效率難以得到提高的一大原因。但不管是增加鐵芯長，還是采用高性能的硅鋼片材料，都會增加電機的制造成本，所以設(shè)計電機時要考慮性價比的問題，根據(jù)實際要求，合理地選擇鐵芯材料。

2.3 低諧波定子繞組的分析與研究

在三相異步電動機中，繞組在電機中起著十分重要的作用。繞組磁動勢所包含的高次諧波之強弱直接影響著電動機的性能。目前高壓電機普遍采用的普通600相帶等元件繞組，雖然工藝性好，但存在著不少諧波，影響電機性能。因該繞組具有提高繞組系數(shù)、降低雜散損耗、改善電機系能，降低電機溫升等優(yōu)點，因此是應(yīng)用于高效電動機的一種有效方法。低諧波繞組按繞法不同分為兩種型式：雙層同心式結(jié)構(gòu)和星-角接混合式結(jié)構(gòu)。前者是通過調(diào)配各線圈的匝數(shù)比來消除或削弱高次諧波的，后者通過分別選擇合理的星接和角接線圈匝數(shù)、并聯(lián)支路數(shù)、并繞根數(shù)以及線規(guī)來消除或削弱高次諧波的。

3 三相異步電動機優(yōu)化設(shè)計

3.1 磁性槽楔對電機溫升及噪聲的影響

電機的溫升主要是由于電機運行時產(chǎn)生的損耗轉(zhuǎn)化為熱量引起的，主要包括鐵芯溫升和繞組溫升。由于采用磁性槽楔后，表面損耗和脈振損耗均降低，因此電機的溫升會降低，而且磁性槽楔的導(dǎo)熱系數(shù)比非磁性槽楔高得多，也會引起溫升的降低。同樣，采用磁性槽楔的電機磁場脈振振幅幅減少，故電機的噪聲和振動也會降低，從而延長了電機的使用壽命。

3.2 高效風(fēng)扇對電機性能的影響

風(fēng)扇按原理來分有離心式和軸流式。離心式風(fēng)扇徑向氣流為主，只能先換成靜壓后氣流改變方向再進(jìn)入鐵芯，這種轉(zhuǎn)換與方向的變化都會引起損耗。而軸流是風(fēng)扇氣流方向與風(fēng)扇軸線平行，氣流直接進(jìn)入鐵芯，因此軸流式效率明顯高于離心式風(fēng)扇。軸流式風(fēng)扇風(fēng)壓小、風(fēng)量大，噪聲低，適用于大中型高速電機。離心式風(fēng)扇風(fēng)壓高、風(fēng)量低，普通高壓大中型電機多以離心式風(fēng)扇為主。離心式風(fēng)扇根據(jù)葉片出口角度分為徑向、前傾和后傾。其中徑向離心式風(fēng)扇結(jié)構(gòu)簡單，適合雙向旋轉(zhuǎn)的電機，實用性比較廣，適合各種容量的傳動直流和交流電動機。高壓三相異步電動機的外風(fēng)扇目前主要是以徑向離心式風(fēng)扇為主，但是這種風(fēng)扇最大的缺點效率非常低，不利于電機損耗的降低。前傾和后傾離心式風(fēng)扇效率比較高，但工藝比較復(fù)雜，且電機不可逆轉(zhuǎn)。對于電機風(fēng)阻較大、要求高風(fēng)壓時，可采用前傾離心式風(fēng)扇，而對于效率要求高的電機中，適宜采用后傾離心式風(fēng)扇，該風(fēng)扇不僅效率高，噪聲低，還能兼顧到風(fēng)壓和風(fēng)量。

4 三相異步電動機降耗方法

通過對上述的鐵心材料、低諧波定子繞組的研究與分析，得出三相異步電動機可通過尺寸優(yōu)化，使用低損耗硅鋼片材料并采用新的少槽-近槽配合，在保證經(jīng)濟(jì)性的同時，減少損耗，提升效率，達(dá)到實現(xiàn)提高電機效能的目的。

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作者簡介：陳漫江（1976，3-），女，湖南湘潭，本科學(xué)歷，工程師。