基于有限元分析的一種超超高效異步電機(jī)*

劉昌奇, 徐余法, 李全峰, 李睦益

(1. 上海電機(jī)學(xué)院，上海 200240；2. 臺(tái)灣大同電機(jī)(上海)有限公司，上海 201611)

基于有限元分析的一種超超高效異步電機(jī)*

劉昌奇1, 徐余法1, 李全峰1, 李睦益2

(1. 上海電機(jī)學(xué)院，上海 200240；2. 臺(tái)灣大同電機(jī)(上海)有限公司，上海 201611)

為盡量少的增加成本和材料條件,進(jìn)一步提升電機(jī)的效率，降低電機(jī)損耗，對(duì)YE3-132S-6X3超高效電機(jī)進(jìn)行損耗分析。針對(duì)其損耗分析的特點(diǎn)，通過改變電機(jī)的定轉(zhuǎn)子槽配合及有限元分析，進(jìn)一步對(duì)槽型和繞組進(jìn)行了設(shè)計(jì)。為再進(jìn)一步降低鐵耗，采用了新型硅鋼片。通過有限元分析對(duì)比與試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)YE3-132S-6X3電機(jī)的效率達(dá)到了超超高效的目標(biāo)，而其他性能參數(shù)仍能滿足要求。

有限元分析； 超超高效； 損耗； 異步電機(jī)

0 引 言

按照GB18613—2012《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》，我國(guó)目前生產(chǎn)和在用電機(jī)多為3級(jí)能效電機(jī)。同時(shí)針對(duì)GB 18613—2012要求，2016年9月1日起，中小型異步電機(jī)實(shí)施新標(biāo)國(guó)家能效2級(jí)，而新型超超高效電機(jī)即能效1級(jí)，目前還未有成熟設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)只有個(gè)別廠家正在研制。

超超高效電機(jī)采用新型電機(jī)設(shè)計(jì)、新工藝及新材料，通過降低電磁能、熱能和機(jī)械能的損耗，提高輸出效率。與超高效電機(jī)相比，超超高效電機(jī)的節(jié)能效果更加明顯。在超超高效電機(jī)研制過程中,一項(xiàng)重要任務(wù)就是采取能夠計(jì)及多種非線性復(fù)雜結(jié)構(gòu)影響因素的損耗計(jì)算方法,研究電機(jī)定轉(zhuǎn)子不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料性能以及其他影響因素對(duì)電機(jī)損耗的具體影響程度,然后在對(duì)電機(jī)各項(xiàng)損耗進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上,對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),最終得出最佳設(shè)計(jì)方案,達(dá)到降低損耗、提升效率的目的。

目前，國(guó)內(nèi)外提出了較多降低電機(jī)損耗的方法： 在電磁設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方面，一些面向全局最優(yōu)解的優(yōu)化算法，如粒子群優(yōu)化算法[1]、遺傳算法[2]等被引入和應(yīng)用。在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方面，低損鑄銅型轉(zhuǎn)子已經(jīng)在中小型電機(jī)中得以運(yùn)用[3]；根據(jù)流體力學(xué)規(guī)律專門設(shè)計(jì)的高效風(fēng)扇顯著減少了電機(jī)的風(fēng)摩損耗[4],同時(shí)具有高磁感、低鐵損率的新型硅鋼片材料減小了鐵耗的影響[5]，低諧波繞組、合理的槽配合、磁性槽楔和新的加工工藝，有效減小了雜散損耗[6]。實(shí)際中應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象和條件，考慮成本等其他因素，合理選擇高效電機(jī)的設(shè)計(jì)方案。

本文針對(duì)YE3-132S-6X3超高效三相異步電機(jī)，基于其損耗構(gòu)成的分析，在盡量少增加成本和材料的原則下，采用了相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案；同時(shí)采用有限元分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果，通過樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證該方案在較小限度地增加成本的原則下，能有效提高電機(jī)效率。

表1 YE3-132S-6X3電機(jī)一些基本的性能數(shù)據(jù)

注： 設(shè)計(jì)及試驗(yàn)按GB/T 1032—2012規(guī)定測(cè)試，能效按GB 18613—2012中2級(jí)能效考核，其余技術(shù)條件按GB/T 22722—2008考核。

1 YE3-132S-6X3電機(jī)損耗分析及其有限元分析

三相異步電機(jī)的主要損耗有定子銅耗、轉(zhuǎn)子鋁耗、鐵耗、風(fēng)摩耗和附加損耗五類。為了提高電機(jī)效率，就必須從降低這五大損耗上來采取措施。電動(dòng)機(jī)的效率η和損耗的相對(duì)值(Σp)的關(guān)系如下:

(1)

從式(1)可知損耗與效率的關(guān)系，較大的損耗相對(duì)值對(duì)應(yīng)了較低的效率，電機(jī)原有的損耗相對(duì)值不同時(shí)，降低同一比例的損耗時(shí)效率提高的幅度也是不同的。表2列出了YE3-132S-6X3電機(jī)效率損耗分布情況。為降低損耗，應(yīng)著力于主要損耗分量的下降，從損耗分布比例來看，提高效率的主要措施還是要降低銅耗和鐵耗及附加損耗，故可以通過降低磁通密度及電流密度來降低損耗，但是同時(shí)也勢(shì)必會(huì)放大導(dǎo)線截面和增加鐵心長(zhǎng)度，多用材料，電機(jī)材料增加的比例較多。

表2 YE3-132S-6X3電機(jī)損耗分析

對(duì)于本文涉及的該系列三相異步電機(jī)，應(yīng)針對(duì)主要損耗分量，在降低定子鐵耗、風(fēng)摩損耗和雜散損耗方面采取措施，有效提高電機(jī)效率。對(duì)YE3-132S-6X3電機(jī)進(jìn)行有限元分析，電機(jī)的磁密分布云圖如圖1所示。

圖1 電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)磁密分布云圖

2 新型超超高效電機(jī)設(shè)計(jì)方案

為進(jìn)一步提升電機(jī)的效率同時(shí)不增加材料，從超高效電機(jī)本身設(shè)計(jì)出發(fā)，基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18613—2012《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》，在綜合考慮電機(jī)的功率因數(shù)、起動(dòng)性能等基礎(chǔ)上，針對(duì)電機(jī)的損耗分析結(jié)果，采用增加定轉(zhuǎn)子槽數(shù)，改變?cè)胁叟浜弦约靶碌牟坌蝸斫档透郊訐p耗，改善電機(jī)性能；通過改變繞組型式，采用新型單雙層混合繞組增加槽滿率來降低銅耗及附加損耗；為降低鐵耗，在不增加成本的基礎(chǔ)上更換原有硅鋼片，從而提升電機(jī)的效率，并且性能要求滿足規(guī)定值[7]。

2.1 定轉(zhuǎn)子槽數(shù)及槽形的設(shè)計(jì)

驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)穩(wěn)定，具有統(tǒng)計(jì)意義。2004年QSAR國(guó)際會(huì)議正式形成經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（英文簡(jiǎn)稱OECD）規(guī)則，明確必須使用外部驗(yàn)證集（即測(cè)試集）來評(píng)價(jià)模型的預(yù)測(cè)能力。如果樣本量足夠大，也可以從105個(gè)樣本中隨機(jī)取8個(gè)樣本作為測(cè)試集，97個(gè)樣本作為訓(xùn)練集。本案例執(zhí)行該規(guī)范。

定轉(zhuǎn)子槽數(shù)對(duì)電機(jī)各方面的性能都有較大影響，對(duì)于一般感應(yīng)電機(jī)，每極每相槽數(shù)q1可在2～6間選取，并且盡量選取整數(shù)，因?yàn)榉謹(jǐn)?shù)槽繞組容易引起振動(dòng)和噪聲。對(duì)于級(jí)數(shù)少、功率大的電機(jī)，q1需取得大些。對(duì)于極數(shù)多的電機(jī)則q1盡可能小一些。在極數(shù)、相數(shù)既定的情況下，定子的槽數(shù)取決于每極每相槽數(shù)q1。因此q1值的大小對(duì)電機(jī)的參數(shù)、附加損耗、溫升及材料消耗量等都有影響。當(dāng)采用較大的q1值時(shí)： (1) 由于定子諧波磁場(chǎng)減小，使附加損耗降低，諧波漏抗減小。(2) 一方面每槽導(dǎo)體數(shù)減少，使槽漏抗減少；另一方面槽的數(shù)目增多，槽高與槽寬的比值相應(yīng)增大，但這方面的影響較小，所以會(huì)使電機(jī)的起動(dòng)性能變得更好。(3) 槽中線圈邊的總散熱面積增加，對(duì)電機(jī)散熱有利[7]。

YE3-132S-6X3定轉(zhuǎn)子槽配合為36/28,每極每相槽數(shù)q1為2，基于以上分析，改變電機(jī)定轉(zhuǎn)子槽數(shù)。對(duì)每極每相槽數(shù)q1取3，則定子槽數(shù)為54，根據(jù)轉(zhuǎn)子槽數(shù)取42。不改變電機(jī)其他參數(shù)對(duì)其進(jìn)行有限元分析。圖2為改變槽配合后電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的磁密分布。

圖2 改變槽配合后電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的磁密分布

從圖2可看出，改變槽配合后電機(jī)由于定子齒部面積和轉(zhuǎn)子齒部面積大幅減少，定轉(zhuǎn)子齒部磁通密度非常高，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子鐵耗升高，其效率反而下降，且槽滿率上升到0.85以上。因此，只通過改變定轉(zhuǎn)子槽配合提升效率是不可能的，上述設(shè)計(jì)不能滿足要求。為降低附加損耗、鐵耗，并改善電機(jī)性能，對(duì)電機(jī)原始槽形(見圖3)做出新的設(shè)計(jì)。定子槽形尺寸如表3所示，原定子槽形與設(shè)計(jì)定子槽形為同號(hào)槽形，但尺寸做出了重新設(shè)計(jì)[8]。本文進(jìn)一步對(duì)電機(jī)原轉(zhuǎn)子槽形(見圖4)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)采用閉口槽，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子槽形[8]如圖5所示，尺寸如表4所示。

圖3 原定子槽型

圖4 原轉(zhuǎn)子槽形

mm

圖5 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子槽形

mm

根據(jù)以上調(diào)整方法,不改變電機(jī)繞組型式及節(jié)距，對(duì)電機(jī)重新進(jìn)行有限元分析，得出其相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)磁密分布，并對(duì)其進(jìn)行傅里葉分析，如圖6所示。分析結(jié)果表明在槽配合及槽形改變后若仍然采用原先的繞組方案，其諧波含量較高，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較低，且附加損耗較高，效率降低。

圖6 氣隙徑向磁密傅里葉分析

2.2 電機(jī)繞組的設(shè)計(jì)

繞組是電機(jī)的關(guān)鍵部分，合理的繞組類型可以提高電機(jī)的效率，減小電機(jī)的銅耗及附加損耗，改善電機(jī)的運(yùn)行。目前電機(jī)普遍采用的繞組型式有單(雙)層疊繞、單(雙)層同心式、單雙層混合式等。原電機(jī)采用的繞組方式為單層疊繞。單層疊繞在繞組設(shè)計(jì)中，尤其是在中小型電機(jī)的設(shè)計(jì)中較為常用，此類繞組應(yīng)用廣泛，技術(shù)較為成熟，本文不做過多贅述。

本文采用單雙層混合繞組，單雙層混合繞組是一種性能較優(yōu)的繞組形式，既保留了雙層短距能改善磁場(chǎng)波形，又可削減諧波、提高起動(dòng)性能、降低附加損耗等，此外還使槽滿率得到改善，繞組用線長(zhǎng)度有效縮短。圖7與圖8給出了調(diào)整前后的繞組接法。

圖7 原電機(jī)單層疊繞

圖8 調(diào)整后單雙層混合繞組

本文繞組采用單雙層混合同心式的布線方式，是一種低諧波繞組的一般布線方式。

根據(jù)以上調(diào)整方法對(duì)電機(jī)重新進(jìn)行有限元分析，得出其相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)磁密分布云圖與磁密結(jié)果，分別如圖9、表5所示。

圖9 更改后電機(jī)磁密分布云圖

2.3 硅鋼片分析

采用鐵損較低的磁導(dǎo)材料，降低鐵耗。從對(duì)電機(jī)的損耗分析可以看出，在電機(jī)的損耗中，定子和轉(zhuǎn)子總的鐵耗約占總損耗的20%。鐵心材料的磁性能(磁導(dǎo)率和單位鐵損)對(duì)電動(dòng)機(jī)的效率和其他性能影響較大，同時(shí)鐵心材料費(fèi)用又是構(gòu)成成本的主要部分，因此選用合適的磁性材料是設(shè)計(jì)和制造電機(jī)的關(guān)鍵。鐵耗是由鐵心中主磁通交變引起的磁滯損耗和渦流損耗產(chǎn)生。電機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子內(nèi)磁通變化的頻率比較低，所以忽略轉(zhuǎn)子鐵耗。計(jì)算鐵耗的公式如下：

(2)

B——鐵心磁通密度；

GFe——受交變磁通變化影響的鐵心質(zhì)量。

由于鋼片加工、磁密分布不均勻、磁通隨時(shí)間非正弦變化以及旋轉(zhuǎn)磁化與交變磁化之間的損耗差異等引起的損耗增加等因素，所以取ka為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。計(jì)算定子鐵耗時(shí)需要同時(shí)計(jì)算定子齒部和軛部的鐵耗，然后求和。

小功率電機(jī)中空載電流(主要是磁化電流)在滿載電流中占了相當(dāng)大的比例，約達(dá)70%，因此在小功率電機(jī)中采用較高磁導(dǎo)率的電工鋼片有助于提高電機(jī)的效率。磁感和鐵損率是衡量硅鋼片的兩個(gè)最重要的指標(biāo)。高磁感硅鋼片意味著產(chǎn)生同樣的磁通所需要的電負(fù)荷降低，從而可以減小電負(fù)荷，降低銅耗;低鐵損意味著在鐵心上的損耗降低，其作用是直接和明顯的，即電機(jī)發(fā)熱和溫升減小，電機(jī)效率提升。在YE3系列超高效電機(jī)的研制工作中，所選用的硅鋼片為寶鋼特定高牌號(hào)無取向電工鋼硅鋼片，牌號(hào)為B50AE-2。

表6通過對(duì)比以上兩種硅鋼片的機(jī)械及電磁性能，以及為提升電機(jī)的效率同時(shí)盡量降低其成本的升高。本文優(yōu)選高牌號(hào)硅鋼片50WW350。根據(jù)武鋼電工鋼手冊(cè)提供的數(shù)據(jù)可以描繪其交變磁化曲線和鐵損曲線分別如圖10、圖11所示。

表6 硅鋼片性能對(duì)比

圖10 50WW350B-H曲線

圖11 50WW350損耗曲線

表7 鐵損計(jì)算值對(duì)比 W

按照上述方法調(diào)整該電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)后得到其轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化的曲線如圖12所示，堵轉(zhuǎn)電流隨時(shí)間變化的曲線如圖13所示。

圖12 轉(zhuǎn)矩曲線

圖13 電流曲線

經(jīng)設(shè)計(jì)后電機(jī)性能匯總表如表8所示。為了盡量減少成本的增加，本文經(jīng)過對(duì)YE3-132S- 6X3電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，同時(shí)采用GB/T 1032—2012規(guī)定測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試。通過表8可以發(fā)現(xiàn)電機(jī)的效率較原電機(jī)得到提升，且滿足GB 18613—2012 1級(jí)能效的要求，技術(shù)條件仍然滿足GB/T 22722—2008中規(guī)定，充分說明通過以上設(shè)計(jì)使電機(jī)的效率進(jìn)一步提升的可行性。

表8 設(shè)計(jì)電機(jī)性能匯總

注： 設(shè)計(jì)及試驗(yàn)按GB/T 1032—2012規(guī)定測(cè)試，能效按GB 18613—2012中1級(jí)能效考核，其余技術(shù)條件按GB/T 22722—2008考核。

3 結(jié) 語

本文針對(duì)YE3-132S-6X3超高效三相異步電機(jī)，從其損耗分布比例來看，提高效率的主要措施還是要降低銅耗和鐵耗以及附加損耗，進(jìn)而做出了新的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案且其減少了成本增加。同時(shí)采用有限元分析，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。最后通過樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了此方案的可行性。有限元分析與樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的可行性。這對(duì)開發(fā)超超高效異步電機(jī)，減小能耗有著重要的意義。

[1] 吳蘇敏,董立威,劉洋,等.基于氣隙磁密波形優(yōu)化的永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2014,41(3): 12-16.

[2] 馬秀娟,劉金鳳,李宏宇,等.基于遺傳算法的感應(yīng)電機(jī)效率優(yōu)化控制研究[J].微電機(jī)，2013,46(10): 36- 46.

[3] 楊旭,玉佳彬,梁棟，等.鑄銅轉(zhuǎn)子超高效率三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)性能分析[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2012,39(4): 4-7.

[4] 李光宇,袁立強(qiáng),趙爭(zhēng)鳴,等.基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的高效交流電機(jī)風(fēng)扇優(yōu)化[J].電工電能新技術(shù)，2014,33(11): 24-28.

[5] 梁寶貴,杜洪偉.高效電機(jī)用硅鋼片[J].防爆電機(jī),2010,45(152): 12-13.

[6] 張鳳,顧德軍,葛榮長(zhǎng).符合IEC高效、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)與控制應(yīng)用,2009,36(10): 19-23.

[7] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].2版.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[8] 趙海森,劉曉芳,楊亞秋,等.基于時(shí)步有限元分析的超高效電機(jī)定子槽形優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011,31(33): 115-122.

[讀者群]

《電機(jī)與控制應(yīng)用》雜志的讀者包括電機(jī)與控制領(lǐng)域內(nèi)從事科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的工程技術(shù)人員，全國(guó)各大高等院校師生，企業(yè)經(jīng)營(yíng)、管理、營(yíng)銷、采購(gòu)人員，各類產(chǎn)品代理分銷渠道人員以及最終用戶等，遍及電力、石油、冶金、鋼鐵、交通、航天、工控、醫(yī)療、機(jī)械、紡織、礦山等多個(gè)行業(yè)。

雜志讀者群專業(yè)、穩(wěn)定、層次高，無論是交流前沿技術(shù)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，還是傳遞行業(yè)信息，開展企業(yè)及產(chǎn)品的廣告宣傳都能達(dá)到事半功倍的效果。

A Ultra-Super Efficiency Asynchronous Motor Based on The Finite Element Analysis

LIUChangqi1,XUYufa1,LIQuanfeng1,LIMuyi2

(1. Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China;2. Taiwan Tatung Motor Co., Ltd., Shanghai 201611, China)

In order to increase the cost and material conditions as little as possible for improving the efficiency of the motor, and reduce the losses of the motor, YE3-132S-6X3 super-efficient motor was analyzed. According to the characteristics of its loss analysis, this paper changed the motor slot coordination, and through the finite element analysis, further has carried on the design of slot type and winding. finally, in order to further reduce iron loss, this paper used the new type of silicon steel, and then by comparing with the finite element analysis and experimental test found YE3-132S-6X3 motor efficiency had achieved the purpose of the ultra-super efficient, and other performance parameters could also meet the requirements.

finite element analysis; ultra-super efficiency; losses; asynchronous motor

上海市教委重點(diǎn)學(xué)科(J51901);上海市經(jīng)濟(jì)與信息化委員會(huì)(13X1-37);上海市教委科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(09ZZ211);上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11ZR1413900);閔行區(qū)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)(2013MH180);上海電機(jī)學(xué)院重點(diǎn)學(xué)科(09XKJ01)

徐余法

TM 343

A

1673-6540(2015)05-0075-06

2015-01-06