中小型籠型異步電機(jī)雜散損耗的降低措施

李海成，　王慶東，　尹志華

(山東華力電機(jī)集團(tuán)股份有限公司，山東 濟(jì)南　264300)

中小型籠型異步電機(jī)雜散損耗的降低措施

李海成，王慶東，尹志華

(山東華力電機(jī)集團(tuán)股份有限公司，山東 濟(jì)南264300)

對(duì)中小型籠型異步電動(dòng)機(jī)雜散損耗的構(gòu)成進(jìn)行了分析。根據(jù)電機(jī)的各個(gè)參量與雜散損耗之間的數(shù)學(xué)關(guān)系提出了降低雜散損耗的多種措施，并針對(duì)其中幾種降低雜散損耗的措施進(jìn)行了實(shí)測(cè)驗(yàn)證。

中小型籠型異步電機(jī)； 雜散損耗； 降低措施

0　引　言

國(guó)際電工委員會(huì)發(fā)布的IEC 60034-30能效標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電機(jī)效率的測(cè)試方法按照IEC 60034-2-1法,其中雜散損耗采用實(shí)測(cè)取得;我國(guó)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)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電機(jī)效率測(cè)試方法采用GB/T 1032—2012《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》中的B法，此法為雜散損耗實(shí)測(cè)的損耗分析法。由于雜散損耗的大小受到設(shè)計(jì)及制造工藝等眾多因素的影響，難于準(zhǔn)確計(jì)算[1]，因此探討降低雜散損耗的措施有較大的實(shí)際意義。

1　空載雜散損耗的構(gòu)成

空載雜散損耗主要包含空載鐵心表面損耗及齒部脈振損耗。空載表面損耗是由氣隙諧波磁場(chǎng)與定、轉(zhuǎn)子鐵心表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在鐵心硅鋼片的表層附近產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。當(dāng)諧波頻率較高，波長(zhǎng)較定、轉(zhuǎn)子齒距小時(shí)，諧波進(jìn)入到鐵心的深度較淺，此時(shí)的損耗稱之為表面渦流損耗；當(dāng)諧波頻率較低，波長(zhǎng)較定、轉(zhuǎn)子齒距長(zhǎng)很多時(shí)，諧波進(jìn)入鐵心的深度較深，會(huì)在整個(gè)齒中形成渦流及磁滯損耗，稱之為齒部脈振損耗[2]。

式中：Q——定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)。

式中：δ——?dú)庀堕L(zhǎng)度。

式中：h——硅鋼片厚度；

ρ——硅鋼片的電阻率。

(5) 表面渦流損耗與磁密的關(guān)系:表面損耗是諧波磁場(chǎng)和定、轉(zhuǎn)子表面進(jìn)行交鏈后產(chǎn)生，與諧波磁場(chǎng)強(qiáng)度大小有關(guān)，PB∝B2。

式中：B——相對(duì)于定、轉(zhuǎn)子表面損耗來(lái)講，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子μ次諧波磁場(chǎng)強(qiáng)度及定子ν次諧波磁場(chǎng)強(qiáng)度。

(6) 表面渦流損耗與鐵心表面積的關(guān)系:表面損耗是在氣隙兩旁的鐵心表面產(chǎn)生的,與鐵心表面積具有正比關(guān)系:PB∝As。

式中：As——?dú)庀秲蓚?cè)的定、轉(zhuǎn)子鐵心表面積。

(7) 表面渦流損耗與槽口尺寸的關(guān)系:

式中：t——定、轉(zhuǎn)子齒距;

b0——定、轉(zhuǎn)子槽口寬度。

(8) 齒部脈振損耗與齒部磁密、沖片厚度及齒部尺寸的關(guān)系:

Pt∝(fBt)2L1btht

式中：f——諧波相對(duì)于定、轉(zhuǎn)子的頻率;

Bt——定、轉(zhuǎn)子齒中諧波磁場(chǎng)強(qiáng)度;

L1——鐵心長(zhǎng)度;

bt——齒的寬度;

ht——齒的高度。

(9) 齒部脈振損耗與槽配合的關(guān)系:脈動(dòng)幅值取決于諧波的波長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)的齒距的比例。這一比例與定、轉(zhuǎn)子槽配合有關(guān)。齒部脈振損耗隨槽配合變化的近似關(guān)系:

式中：Q1——為定子槽數(shù)；

Q2——轉(zhuǎn)子槽數(shù)。

(10) 表面磁滯損耗大小具有與表面渦流損耗類似的關(guān)系:

Pm∝fB1.6As

式中：f——定、轉(zhuǎn)子諧波頻率;

B——定、轉(zhuǎn)子諧波磁;

As——定、轉(zhuǎn)子表面積。

2　負(fù)載雜散損耗的構(gòu)成

(1) 漏磁場(chǎng)在定子繞組附近的金屬部件中產(chǎn)生的雜散損耗:

Ppl∝τDilf2A12.5

式中：τ——極距；

Dil——定子鐵心內(nèi)徑；

f——電源基波頻率；

A1——線負(fù)荷。

(2) 由于交流電源的集膚效應(yīng)引起的繞組雜散損耗:

Pcuad∝KFPcu

式中：KF——與導(dǎo)線相對(duì)高度、膚效應(yīng)有關(guān)的參數(shù)；

Pcu——繞組直流電阻損耗。

在中小型異步電動(dòng)機(jī)中，由于繞組線徑較細(xì)，這部分損耗予以忽略。

(3) 定子相帶諧波磁勢(shì)在帶斜槽的籠型轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的雜散損耗:

式中：N1——每相串聯(lián)總導(dǎo)體數(shù);

Kdpv——v次定子相帶諧波繞組系數(shù);

Kskv——轉(zhuǎn)子對(duì)v次諧波的斜槽系數(shù);

K2v——轉(zhuǎn)子繞組對(duì)v次諧波的繞組系數(shù)，

R2v——轉(zhuǎn)子導(dǎo)條對(duì)v次諧波頻率的交流電阻;

Q2—轉(zhuǎn)子槽數(shù)。

(4)定子齒諧波磁勢(shì)在籠型轉(zhuǎn)子繞組里產(chǎn)生的雜散損耗:

Cm——損耗系數(shù)，Cm與定、轉(zhuǎn)子數(shù)比Q2/Q1有關(guān)，Q2/Q1接近于1損耗最小,因此一般選用近槽配合。

(5) 沒(méi)有槽絕緣的轉(zhuǎn)子中，由泄漏電流產(chǎn)生的雜散損耗(沒(méi)有槽絕緣的鑄鋁轉(zhuǎn)子，導(dǎo)條與鐵心硅鋼片直接接觸，會(huì)有泄漏電流直接溝通臨近的導(dǎo)條產(chǎn)生橫向電流損耗)：

P2h∝Q2Rj。

式中：Rj—導(dǎo)條與鐵心的接觸電阻;

Q2—轉(zhuǎn)子槽數(shù)。

3　雜散損耗降低措施

結(jié)合上面所述雜散損耗的構(gòu)成以及與電機(jī)各個(gè)參量的關(guān)系，可有下列降低雜散損耗的措施:

(2) 采用多路并聯(lián)，假設(shè)采用N條支路并聯(lián)時(shí)，應(yīng)采用相距N×180°電角度的極相組串聯(lián)為并聯(lián)支路，即第1與第N+1極相組串聯(lián)成為一個(gè)并聯(lián)支路。該措施可削弱氣隙偏心后氣隙磁場(chǎng)波形畸變產(chǎn)生的3次諧波在定子齒中引起的渦流損耗。

(3) 適當(dāng)增加定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)，可以令表面渦流損耗減少。繞組的諧波含量與每極每相下槽數(shù)q有關(guān)，提高定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)可以改善氣隙磁場(chǎng)波形。當(dāng)q>6之后繞組的諧波含量將會(huì)大幅降低。該措施對(duì)于雜散損耗的多數(shù)成分都有降低效果；在定子內(nèi)圓一定的情況下，增加定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)將會(huì)引起齒部鐵心尺寸的減小，利于降低齒部脈振損耗。

(4) 采用轉(zhuǎn)子少槽、近槽配合。轉(zhuǎn)子槽數(shù)要比定子槽數(shù)少，同時(shí)盡量接近定子槽數(shù)，此時(shí)定子齒諧波磁勢(shì)在籠型轉(zhuǎn)子繞組里產(chǎn)生的雜散損耗最小，同時(shí)空載齒脈振損耗也會(huì)減少。選擇槽配合時(shí)要避開可能產(chǎn)生低階振動(dòng)力波或電磁噪聲的槽數(shù),在此不做贅述。

(5) 在同功率、同極數(shù)的情況下，采用小的定子內(nèi)徑有利于降低表面渦流損耗。但要注意內(nèi)徑減少與定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)增加的矛盾關(guān)系。

(6) 減小定子槽槽口尺寸。在滿足嵌線工藝要求的基礎(chǔ)上盡量小，或定子采用磁性槽楔，轉(zhuǎn)子采用閉口槽。該措施利于降低表面渦流損耗。

(7) 適當(dāng)增加電動(dòng)機(jī)氣隙長(zhǎng)度。氣隙增大則氣隙磁導(dǎo)降低，可消弱氣隙諧波磁場(chǎng)強(qiáng)度。該措施利于降低空載表面渦流損耗及齒脈振損耗。

(8) 合理控制氣隙磁密，電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)磁密不宜飽和。采用較低的磁密值對(duì)于降低空載表面損耗及空載齒部脈振損耗有明顯效果；另外飽和后的電機(jī)漏磁增加，會(huì)造成漏磁場(chǎng)在定子繞組附近金屬部件中產(chǎn)生雜散損耗的增加。

(9) 采用簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)子槽形。過(guò)于復(fù)雜的轉(zhuǎn)子槽形除會(huì)增加轉(zhuǎn)子漏抗外，還會(huì)增加導(dǎo)條與鐵心的接觸面積，增加橫向電流損耗。

(10) 采用合適的轉(zhuǎn)子斜槽。經(jīng)過(guò)計(jì)算采用合理的轉(zhuǎn)子槽斜尺寸可消除或削弱某些次定子諧波。斜槽繞組系數(shù)越低由定子相帶諧波磁勢(shì)在帶斜槽的籠型轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的雜散損耗越小。需要注意過(guò)大的槽斜度尺寸會(huì)令基波幅值降低，同時(shí)斜槽繞組系數(shù)呈正弦規(guī)律變化，對(duì)于某v次諧波來(lái)說(shuō)并不是槽斜度尺寸越大越好。

(11) 采用薄的硅鋼片。該措施利于降低表面渦流損耗。

(12) 提高沖片沖裁質(zhì)量，合理控制沖片毛刺。該措施有利于防止片間短路，可降低轉(zhuǎn)子表面渦流損耗。

(13) 合理控制繞組端部長(zhǎng)度，電機(jī)設(shè)計(jì)空間不宜過(guò)于緊張。該措施可增加端部漏磁與周邊金屬件間的氣隙長(zhǎng)度，降低漏磁在繞組端部附近金屬部件中產(chǎn)生的渦流損耗?？煽紤]在繞組端部附近的零部件采用非金屬材料或高電阻率材料制造。

(14) 采用轉(zhuǎn)子絕緣處理工藝?？梢圆捎昧谆簩?duì)于轉(zhuǎn)子槽形進(jìn)行絕緣處理，提高轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與鐵心的接觸電阻，降低橫向電流損耗。

(15) 合理控制鐵心疊壓力，防止壓力過(guò)大破壞片間絕緣。該措施有利降低鐵心表面渦流損耗。

(16) 要避免轉(zhuǎn)子加工時(shí)產(chǎn)生毛刺。由于在加工轉(zhuǎn)子外圓時(shí)轉(zhuǎn)子槽口部位比較薄弱，會(huì)出現(xiàn)讓刀的情況，造成不完全車削，因而產(chǎn)生毛刺，降低片間絕緣電阻，增加表面渦流損耗，建議采用小進(jìn)刀量及高速車削工藝。也可以嘗試采用轉(zhuǎn)子沖片直接沖出氣隙的工藝。

(17) 要消除轉(zhuǎn)子加工后產(chǎn)生的毛刺。對(duì)于轉(zhuǎn)子外徑加工后已經(jīng)存在的毛刺，可以對(duì)轉(zhuǎn)子表面進(jìn)行處理，將加工后的毛刺去掉，防止片間短路，降低轉(zhuǎn)子表面渦流損耗。

(18) 各零部件特別是鐵心采用時(shí)效處理或退火。電動(dòng)機(jī)零件在冷、熱、機(jī)械加工后都會(huì)有加工應(yīng)力存在，如果不退火或者退火不完全，應(yīng)力將會(huì)在電機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，因?yàn)檎駝?dòng)及發(fā)熱等原因而釋放，從而改變電機(jī)氣隙等重要尺寸的幾何關(guān)系，附加損耗將會(huì)有所變化，變得不可控。

4　關(guān)于雜散損耗降低措施的驗(yàn)證

4.1采用不同繞組型式對(duì)于雜散損耗的影響

以下為H250M2- 4 75KW增容電機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。采用低諧波繞組后，實(shí)測(cè)雜散損耗降低約10.33%，如表1所示。

表1　不同繞組型式對(duì)于雜散損耗的影響

4.2采用不同槽斜度尺寸對(duì)于雜散損耗的影響

以下為H250M2- 4 75kW增容電機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如表2所示。隨著槽斜尺寸的增加，雜散損耗最大降低約9.59%，但繼續(xù)增加槽斜尺寸雜散損耗是否會(huì)繼續(xù)減少需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

表2　不同槽斜度尺寸對(duì)于雜散損耗的影響

4.3采用不同氣隙長(zhǎng)度對(duì)于雜散損耗的影響

以下為H250M2- 4 75kW增容電機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如表3所示。氣隙長(zhǎng)度增加10%后，雜散損耗降低約6.27%，但是功率因數(shù)也有所降低。

表3　不同氣隙長(zhǎng)度對(duì)于雜散損耗的影響

4.4采用不同槽配合及槽斜度對(duì)于雜散損耗的影響

以下為H250M2- 4 75kW增容電機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如表4所示。為得到較好的噪聲性能，槽配合和槽斜度要相互匹配，因此以上雜散損耗的變化9%是槽配合與槽斜度二者產(chǎn)生的綜合影響。

表4　不同槽配合及槽斜度對(duì)于雜散損耗的影響

4.5采用轉(zhuǎn)子槽絕緣處理對(duì)于電動(dòng)機(jī)雜散損耗的影響

以下是對(duì)H225M-2 45kW電機(jī)的轉(zhuǎn)子槽采用磷化液絕緣處理后與轉(zhuǎn)子不絕緣處理的對(duì)比數(shù)據(jù),如表5所示。從上述數(shù)據(jù)可以看到，轉(zhuǎn)子槽采用磷化液處理后雜散損耗降低4.52%。轉(zhuǎn)子槽的絕緣質(zhì)量對(duì)于由橫向電流產(chǎn)生的雜散損耗有決定性的影響。

表5　轉(zhuǎn)子槽絕緣處理對(duì)于電動(dòng)機(jī)雜散損耗的影響

4.6采用磁性槽楔對(duì)于電動(dòng)機(jī)雜散損耗的影響

以下是H225M-2 45kW電機(jī)分別采用環(huán)氧引拔槽楔和環(huán)氧單晶鐵粉磁性槽楔的對(duì)比數(shù)據(jù)，如表6所示。采用磁性槽楔后所得的雜散損耗降低2.44%。磁性槽楔主要影響的是氣隙系數(shù)，受磁性槽楔的磁導(dǎo)率影響較大。

表6　采用磁性槽楔對(duì)于電動(dòng)機(jī)雜散損耗的影響

5　結(jié)　語(yǔ)

本文分析了雜散損耗的各組成部分，提出多種切實(shí)可行的降低雜散損耗的辦法，并針對(duì)其中的幾種方法進(jìn)行樣機(jī)驗(yàn)證，取得了一定的效果。驗(yàn)證的各種措施分別可以對(duì)雜散損耗減少2%～10%不等，如果綜合應(yīng)用本文所列的各種措施將有可能減少雜散損耗達(dá)50%，并且以上措施不會(huì)引起電機(jī)成本的大幅增加，對(duì)于工廠設(shè)計(jì)開發(fā)高效率電動(dòng)機(jī)很有實(shí)用價(jià)值。

[1]陳世坤.電機(jī)學(xué)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社.1997.

[2]B·海勒爾.異步電機(jī)中諧波磁場(chǎng)的作用[M].俞鑫昌，譯.北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

Stray-Load Loss Reducing Measures of Small and Medium Size Cage Type Asynchronous Motor

LIHaicheng,WANGQingdong,YINZhihua

(Shandong HuaLi Electric Motor Group Co.,Ltd., Jian 264300, China)

Stray-load loss of small and medium size cage asynchronous motor was analyzed, and multiple reducing measures were proposed on the basis of mathematic relation between motor parameters and stray-load loss. Furthermore, several reducing measure of them were verified by actual measurement.

small and medium size cage asynchronous motor; stray-load loss; reducing measure

2014-09-15

TM 303

A

1673-6540(2015)04-0070-05