籠型異步電機降耗與分析方法綜述*

房建俊， 徐余法， 羅玉東， 陳亞新

(上海電機學院 電氣學院，上海 200240)

籠型異步電機降耗與分析方法綜述*

房建俊， 徐余法， 羅玉東， 陳亞新

(上海電機學院 電氣學院，上海 200240)

籠型異步電機廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)及日常生活等領域，降低其損耗對于實現(xiàn)電機行業(yè)的節(jié)能降耗具有重要意義。介紹了造成籠型異步電機各部分雜散損耗的原因，指出雜散損耗是目前的分析難點。針對計及雜散損耗的定轉子銅耗和鐵心損耗的分析與計算方法進行了總結歸納。對于降耗方法，從結構設計和材料選取兩個方面進行總結敘述，分析新型降耗方法的可行性。最后，展望籠型異步電機的損耗分析方法與降耗方法未來的研究重點和發(fā)展方向。

籠型異步電機； 雜散損耗； 損耗分析與計算； 銅耗； 鐵心損耗； 降耗方法

0 引 言

在能源日益匱乏的今天，節(jié)能降耗已經(jīng)成為各個行業(yè)的發(fā)展趨勢[1-2]。電機作為用電量最大的耗電機械，實現(xiàn)電機行業(yè)的節(jié)能降耗尤為重要[3-4]。我國于2012年出臺了GB18613—2012《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》標準，并在“十二五”規(guī)劃中積極實施，推進電機行業(yè)的節(jié)能降耗。目前，我國高效異步電機的市場占有率僅為12%，而以美國為代表的主要發(fā)達國家已經(jīng)超過50%[5]。異步電機主要有繞線式和籠式兩種類型，其中籠式具有結構簡單、價格便宜、運行可靠、便于維護等優(yōu)點[6]，被廣泛應用于冶金、石化、化工、煤炭、建材、公用設施等多個行業(yè)和領域[7-9]。因此，降低籠型異步電機的損耗，成為了國內(nèi)外電機領域的一個研究熱點。

籠型異步電機的設計、分析與降耗方法雖然遵循基本的電磁原理，但為進一步降低其損耗，需要對損耗原因、分析與計算方法、降耗方法等問題深入研究，并加以解決。 本文首先介紹了籠型異步電機損耗原因的分析難點，然后對損耗分析模型與計算方法、降耗方法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了歸納和總結，分析了關鍵技術，最后討論了未來籠型異步電機降耗方法的主要發(fā)展方向。

1 損耗原因及關系

籠型異步電機在進行功率轉化的過程中，產(chǎn)生五部分損耗，如圖1所示。其中，風摩損耗是指電機轉動過程中，轉子外表面、散熱風扇克服空氣阻力以及軸承摩擦產(chǎn)生的損耗，屬于機械損耗[10]；定子銅耗、鐵心損耗、轉子銅耗和雜散損耗可統(tǒng)稱為電磁損耗[11]，是損耗方面的研究重點。

對于基本的定子銅耗、鐵心損耗和轉子銅耗，其產(chǎn)生原因較為明確，已得到國內(nèi)外電機領域學者的一致認可，在此將不再敘述。對于雜散損耗，其產(chǎn)生原因較為復雜，影響因素繁多，且廣泛分布在定子銅耗、鐵心損耗和轉子銅耗中，是目前的研究難點。

圖1 籠型異步電機功率流程圖

雜散損耗可分為雜散定子銅損耗、雜散鐵心損耗和雜散轉子銅損耗，各部分產(chǎn)生機理不同，分別敘述如下：

(1) 雜散定子銅損耗是指由于鐵心飽和、非正弦供電等原因在定子繞組中產(chǎn)生諧波電流所引起的損耗。此外，定子繞組中存在的循環(huán)電流也會產(chǎn)生部分雜散定子銅損耗[12]。

(2) 雜散鐵心損耗包括表面損耗和脈振損耗。前者是指氣隙諧波磁通相對于齒或磁極鐵心表面移動所引起的損耗，后者是指齒中諧波磁通相對齒移動所引起的損耗[13-14]。

(3) 雜散轉子銅損耗是指諧波磁場在轉子導條中感應出的諧波電流所引起的損耗。如果轉子采用斜槽式，轉子導條與端環(huán)短路產(chǎn)生的橫向電流也會引起部分雜散轉子銅損耗[15]。

通過以上敘述可知，由于雜散損耗的存在，不僅使得影響籠型異步電機損耗的因素增多，而且使得各個影響因素之間的關系變得復雜，因此需要進一步從微觀角度研究雜散損耗因素，才能滿足進一步降低籠型異步電機損耗的要求。

2 損耗分析與計算方法

對于籠型異步電機損耗的分析與計算方法，難點在于是否能夠計及多種非線性及復雜結構影響因素，準確分析不同損耗因素對損耗的具體影響程度，然后對結構參數(shù)進行優(yōu)化設計，合理選擇材料，達到降低損耗的目的。傳統(tǒng)的基于磁路分析的損耗計算方法，由于對解析模型進行簡化，忽略雜散損耗，使得其計算結果不夠精確[16]。隨著計算機技術的發(fā)展，通過建立基于磁場分析的有限元(Finite Element Method, FEM)損耗分析模型，能夠計及雜散損耗，使得定子銅耗、鐵心損耗和轉子銅耗的計算結果更加精確[17]。因此，如何準確建立損耗分析模型，是損耗分析與計算的重點。其中，風摩損耗通過建立流體場模型進行分析計算[18-19]。下面將對考慮雜散損耗的定轉子銅耗和鐵心損耗的基于磁場的FEM分析與計算方法進行介紹。

2.1 定轉子銅耗

使用FEM對定子繞組建模分析，能夠充分考慮定子繞組中存在的高次諧波電流。對計算得到的定子電流進一步采用傅里葉分解，即可分別求得基波和諧波電流產(chǎn)生的損耗[20]。其計算公式如式(1)[21]所示：

(1)

式中：PSCL——定子總銅耗；Rs——定子相電阻；iνA、iνB、iνC——定子繞組各頻次電流，其中ν=2k+1(k=0,1,2,3,…)表示定子繞組的諧波次數(shù)。

對于轉子銅耗，由于高頻諧波電流引起的集膚效應使得轉子導條中的電流分布不均勻，集中在導條表層。為此，采用把轉子導條劃分為單元網(wǎng)格分別計算其單元網(wǎng)格銅耗再進行求和。其計算式如式(2)[22]所示：

(2)

式中：PRCL——轉子總銅耗；δ——轉子導條電導率；Lef——轉子導條有效長度；SΔ——轉子導條單元面積；JΔv——轉子導條各單元內(nèi)基波和高次諧波電流密度的有效值，其中ν=2k+1(k=1,2,3,…)表示諧波次數(shù)，基波頻率為sf1(s為轉差率，f1為定子頻率)。

以上定轉子銅耗的分析與計算方法能夠計及電機內(nèi)部存在的雜散定轉子銅損耗，但是計算過程繁瑣，而且無法就單個損耗因素對雜散定轉子銅損耗的影響進行準確分析與計算。因此，簡化計算過程，準確分析單個損耗因素的影響，是未來定轉子銅耗分析與計算的發(fā)展方向。

2.2 鐵心損耗

對于鐵心損耗FEM分析與計算模型，目前比較經(jīng)典的是意大利學者Bertotti于1988年提出的基于磁滯損耗、渦流損耗及異常損耗的常系數(shù)三項式模型。其表達式[23]如式(3)所示：

PFe=Ph+Pe+Pa=

(3)

式中：PFe——鐵耗密度；Ph、Pe、Pa——磁滯損耗、渦流損耗、異常損耗；

kh、ke、ka——各項損耗的系數(shù)，可通過鐵心損耗的測量數(shù)據(jù)直接擬合得到；

f——頻率；

Bm——按正弦交變的磁通密度幅值。

常系數(shù)三項式模型未計及實際電機工作當中的非正弦波形，使其計算結果不夠精確。文獻[24]和文獻[25]分別提出了考慮非正弦波形的磁滯損耗模型和渦流損耗模型，但這兩種模型都未考慮旋轉磁化所引起的損耗。文獻[26]借助二維磁場測試儀擬合曲線得到損耗系數(shù)，建立旋轉磁化損耗模型。文獻[27]采用兩個相互正交的交變磁化等效旋轉磁化，建立正交分解模型，但損耗系數(shù)的求解過程較為繁瑣。文獻[28]對不同頻率下鐵心損耗的損耗系數(shù)變化規(guī)律進行了系統(tǒng)研究，提出了一種損耗系數(shù)隨磁密和頻率變化的變系數(shù)鐵心損耗計算模型，簡化了計算過程。文獻[29]提出了考慮旋轉磁化和趨膚效應的變系數(shù)正交分解鐵心損耗計算模型，提高了計算精度。

隨著研究的深入，鐵心損耗的分析模型不斷得到完善，尤其是變系數(shù)鐵心損耗模型，使損耗系數(shù)隨磁通密度和頻率變化，充分考慮高次諧波、集膚效應、旋轉磁化等對損耗造成的影響，提高計算精度，并且損耗系數(shù)可通過最小二乘法根據(jù)鐵心實測損耗值擬合得到，省去損耗系數(shù)的繁瑣計算過程，已成為未來鐵心損耗分析與計算的發(fā)展方向。

3 降耗方法

降低籠型異步電機的損耗，通常采用較大截面積的銅導線、增加鐵心長度、選用牌號更高的硅鋼片、改變軸承及潤滑等[30]。隨著損耗分析的深入、新型材料的出現(xiàn)以及工藝水平的進步，新的降耗方法不斷被提出。下面將從結構設計和材料選取兩個方面進行介紹。

3.1 結構設計

對籠型異步電機結構參數(shù)進行優(yōu)化設計，是降低其損耗的基本方法。由于影響其損耗的因素較多，包括定子槽形、繞組形式、轉子槽形、轉子斜槽、槽配合、風路結構等[31]，并且這些因素之間相互影響，使得在進行優(yōu)化結構設計時，需要考慮多個因素之間的相互影響。

在定子槽形方面，籠型異步電機通常采用半閉口梨形槽，如圖2所示。定子槽形尺寸的選擇，對電機各部分損耗有不同的影響。文獻[32] 利用時步有限元法分析了圖2所示的6個槽形尺寸對損耗的影響程度，結果證明其中槽口寬度Bs0、槽寬Bs1和槽底半徑Rs對損耗影響較大，并以槽型面積、槽漏抗、齒部機械強度等為約束條件，選擇以上三個最優(yōu)槽型尺寸以降低損耗，為通過定子槽形優(yōu)化降低籠型異步電機的損耗提供了技術支持。

圖2 定子梨形槽基本尺寸

在定子繞組方面，籠型異步電機通常采用雙層繞組，降低諧波損耗。文獻[33]提出了一種單雙層混合分數(shù)槽繞組，在提高槽利用率的同時，進一步降低了諧波損耗。文獻[34]將槽滿率作為約束條件，以高次諧波分量最小作為目標函數(shù)，采用不等匝下線的方法對定子繞組進行優(yōu)化設計，達到了進一步降低諧波損耗的目的。

在轉子方面，籠型異步電機通常采用轉子斜槽的閉口槽以降低損耗。文獻[35]分析了轉子斜槽度對損耗的具體影響，結果證明定轉子諧波銅耗隨斜槽度增加而降低，定子諧波鐵耗隨斜槽度先增加后減小，轉子諧波鐵耗隨斜槽度增加而增加，為通過優(yōu)化斜槽式轉子降低損耗提供了理論依據(jù)。文獻[36]針對轉子通常采用的軸向斜槽，提出了一種采用徑向斜槽的轉子槽型，能夠有效抑制諧波，為提高效率提供了新的思路。

在槽配合方面，籠型異步電機轉子槽數(shù)應略少于定子槽數(shù)，以降低損耗。文獻[37]分析了槽配合對異步電機損耗的影響，結果證明少槽配合的整體損耗要低于多槽配合，并指出在轉子槽數(shù)增加時，轉子齒諧波磁密切向分量增大，轉子齒部表面損耗增加。這為合理選擇槽配合提供了理論依據(jù)。

在風路結構方面，籠型異步電機可選擇徑向通風系統(tǒng)[38]，并且把傳統(tǒng)的離心式風扇改為后傾式風扇，同時增大葉片寬度和葉片數(shù)量[39]，能夠有效降低風摩損耗。

3.2 材料選擇

籠型異步電機定子鐵心和轉子材料的選擇不僅對損耗有較大的影響，而且對其他方面的性能也有直接影響。因此，對不同定子鐵心材料和轉子材料進行分析，對降低損耗具有重要意義。

3.2.1 鐵心材料

籠型異步電機通常采用冷軋無取向硅鋼片代替熱軋無取向硅鋼片來降低損耗[40]。表1給出了常用的熱軋DR510-50硅鋼片、冷軋50W470硅鋼片以及較新的冷軋50CS470硅鋼片的主要性能參數(shù)。從表2可以看出，在保持最小磁感相同的情況下，冷軋無取向硅鋼片的鐵心損耗更低，而隨著工藝水平的進步，硅鋼片的性能也在逐漸提高，為降低損耗提供了支持。

表1 三種不同類型硅鋼片的主要性能

另外，在非晶材料出現(xiàn)后，以非晶材料作為定、轉子鐵心的電機[41]，運行效率能夠達到95%以上，但與常規(guī)籠型異步電機相比，其成本大大增加，適用范圍較小，電磁設計、加工工藝以及性能測試等方面還需進一步研究。

3.2.2 轉子材料

籠型異步電機通常采用鑄鋁轉子。為進一步降低損耗，可采用鑄銅轉子。文獻[42]對采用鑄銅轉子的三相異步電機進行了分析，提出了鑄銅轉子的設計原則。文獻[43]對采用鑄銅轉子和鑄鋁轉子的籠型異步電機的損耗特性進行了對比，證明采用鑄銅轉子能夠提高電機效率。但是，采用鑄銅轉子將增加成本，而且其制造工藝不成熟，使其廣泛推廣比較困難。另外，對于采用鑄銅轉子的籠型異步電機的其他性能，仍有待進一步研究。

4 結 語

通過對現(xiàn)有文獻中的研究成果進行總結和分析可以發(fā)現(xiàn)，在籠型異步電機的損耗影響因素、損耗分析方法與降耗方法方面，主要存在以下幾個問題：

(1) 籠型異步電機雜散損耗產(chǎn)生的原因較多且復雜，如何能夠單獨定量分析一個影響因素對雜散損耗的具體影響是目前籠型異步電動機的研究難點，需要進一步探索。

(2) 籠型異步電機損耗的損耗分析與計算模型較多，需要進一步對各個類型的損耗分析模型進行對比優(yōu)化，提高模型準確性，簡化計算過程。

(3) 對于新方法、新材料、新工藝在降低籠型異步電機損耗方面的應用，其可行性、成熟度、性價比及推廣應用等問題還有待進一步研究。

因此，在籠型異步電機的損耗分析方法與降耗方法研究中，未來主要的發(fā)展方向就是在現(xiàn)有研究成果的基礎上不斷完善，實現(xiàn)對雜散損耗的定量分析與計算，以及對于新結構、新材料、新工藝在降耗方面應用的探索。與此同時，對籠型異步電機其他方面的性能做進一步研究，使其應用在更多領域中。此外，也能夠對其他種類電機的降耗方法有一定的啟示。

[1] ZOU J Y, ZHOU X, DONG L. The path analysis of enhancing China’s industrial competitiveness from the perspective of energy management contract[C]∥ Remote Sensing, Environment and Transportation Engineering, 2011 International Conference on Nanjing： IEEE, 2011： 3686-3688.

[2] 王祥.中國能耗強度影響因素分析與節(jié)能目標實現(xiàn)[D].大連： 東北財經(jīng)大學，2012.

[3] STEYN F. Motors and drives for improving energy efficiency[C]∥ Energy Effciency Convention, Johannesburg： IEEE, 2011： 1-7.

[4] ZABARDAST A, MOKHTARI H. Effect of high-efficient electric motors on efficiency improvement and electric energy saving[C]∥ Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies, Third International Conference on Nanjuing： IEEE, 2008： 533-538.

[5] 王愛華.世界主要國家的高效電機及其標準[J].電機技術，2013，34(4)： 40-43.

[6] CHAPMAN S J. Electric machinery fundamentals[M].New York： McGraw-Hill Science Engineering Math, 2011.

[7] RAHILL T, FOUSHA M C. Navigating petrochemical industry induction motor standards[C]∥IEEE Petroleum and Chemical Industry Technical Conference, Calgary： IEEE, 2007： 1-10.

[8] CURIAC R, SINGHAL S. Rotor and stator stresses during starting of induction motors used in cement industry applications[C]∥IEEE Cement Industry Technical Conference Record California： IEEE, 2009： 1-11.

[9] PACHAURI R K, CHAUHAN Y K. Design of ultra low cost cell phone based embedded system for irrigation[C]∥ Electrical, Electronics and Computer Science(SCEECS), 2014 IEEE Students’ Conference on Bhopal： IEEE, 2014： 1-6.

[10] DABALA K. Analysis of mechanical losses in three-phase squirrel-cage induction motors[C]∥ Electrical Machines and Systems Shenyang： IEEE, 2001： 39-42.

[11] 陳世坤.電機設計[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2008.

[12] 張長青.研制三相異步高效電動機的關鍵技術[D].杭州： 浙江大學，2009.

[13] JORDAN H. Dieferromagnetischen konstanten fur schwache wechselfelder[M]. Elektr Nach Techn,1924.

[14] 田民波.磁性材料[M].北京： 清華大學出版社，2001.

[15] 丁樹業(yè)，李躍龍，李冠男，等.多工況條件下異步電機斜槽與諧波特性[J].沈陽工業(yè)大學學報，2014，36(2)： 127-132.

[16] 趙海森.超高效異步電機損耗模型及降耗措施研究[D].北京： 華北電力大學，2011.

[17] 趙海森，羅應立，劉曉芳，等.異步電機空載鐵耗分布的時步有限元分析[J].中國電機工程學報，2010，30(30)： 99-106.

[18] CALASAN M, OSTOJIC M, PETROVIC D. The retardation method for bearings loss determination[C]∥ Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion(SPEEDAM), 2012 International Symposium on IEEE Sorrento： IEEE, 2012： 25-29.

[19] 丁樹業(yè)，郭長光，郭保成，等.雙饋水輪發(fā)電機風摩損耗數(shù)值研究[J].華中科技大學(自然科學版)，2014，42(2)： 26-30.

[20] 胡雪婷.籠型異步電機的電磁損耗建模和降耗措施的研究[D].長沙： 湖南大學，2013.

[21] ZHAO H S, LIU X F, HU J, et al. The influence of wye and delta connection on induction motor losses taking slot opening and skew effect into account[C]∥ International Electric Machines and Drives Conference Miami： IEEE, 2009： 213-218.

[22] 趙海森，劉曉芳，羅應立，等.電壓偏差條件下籠型感應電機的損耗特性[J].電機與控制學報，2010，14(5)： 13-19.

[23] GIORGIO B. General properties of power losses in soft ferromagneticmaterial[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1988, 24(1)： 621-630.

[24] BOGLIETTI A, CAVAGNINO A, IONEL D M. A general model to predict the iron losses in PWM inverter-fed induction motors[J].Industry Applications, IEEE Transactions on, 2010, 46(5)： 1882-1890.

[25] BOGLIETTI A, CAVAGNINO A, LAZZARI M, et al. Predicting iron losses in soft magnetic materials with arbitrary voltage supply： an engineering approach[J].IEEE Transactions on Magnetics, 2007, 39(2)： 981-989.

[26] GUO Q Y, ZONG Z C, LI W S. Analysis of iron losses in induction motor with an improved iron-loss model[C]∥ Transportation Electrification Asia-Pacific(ITEC Asia-Pacific), 2014 IEEE Conference and Expo Beijing： IEEE, 2014： 1-4.

[27] 黃允凱,胡虔生,朱建國.顧及旋轉鐵耗的高速爪極電機三維磁熱耦合分析[J].電工技術學報,2010,4(5)： 54-60.

[28] IONEL D M, POPESCU M, DELLINGER S J, et al. On the variation with flux and frequency of the core loss coefficients in electrical machines[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2006, 42(3)： 658-667.

[29] 江善林，鄒繼斌，徐永向，等.考慮旋轉磁通和趨膚效應的變系數(shù)鐵耗計算模型[J].中國電機工程學報，2011，31(3)： 104-110.

[30] 華智儉，王翼翔，鄒昀海.高效電機損耗的控制[J].電機與控制應用，2012，39(12)： 41-42.

[31] 孫紅超，劉文輝，王富春.高效電機設計方法的研究[J].防爆電機，2014，49(2)： 1-4.

[32] 趙海森，劉曉芳，楊亞秋，等.基于時步有限元分析的超高效電機定子槽形優(yōu)化設計[J].中國電機工程學報，2011，31(33)： 115-122.

[33] 劉昌奇，徐余法，李全峰，等.基于有限元分析的一種超超高效異步電機[J].電機與控制應用，2015，42(5)： 75-80.

[34] 劉征艮，李春光.高效電機提高效率的方法[J].電機技術，2010(1)： 11-12.

[35] 趙海森，劉曉芳，羅應立，等.轉子斜槽及不同槽斜度對鼠籠式異步電機損耗影響的時步有限元分析[J].中國科學，2011，41(10)： 1380-1387.

[36] 李娟.高校感應電機的仿真研究[D].杭州： 浙江大學，2015.

[37] 安俊義，趙海森，劉曉芳，等.槽配合對單繞組雙速直槽異步電動機空載磁場及損耗的影響[J].微特電機，2015，43(5)： 17-21.

[38] 鄭國麗，周黎民，鄧堯強，等.高效電機風路結構設計參數(shù)優(yōu)化[J].電機與控制應用，2015，42(4)： 62-65.

[39] 鄭龍平，高靜，李光耀.高壓高效電機離心式風扇設計與有限元分析[J].防爆電機，2014，49(4)： 6-10.

[40] 梁寶貴，杜洪偉.高效電機用硅鋼片探討[J].防爆電機，2010，45(1)： 12-13.

[41] HONG D K, JOO D, WOO B C, et al. Investigations on a super high speed motor-generator for micro-turbine applications using amorphous core[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2009, 45(4)： 1368-1377.

[42] 李志強，黃堅，張維，等.開發(fā)鑄銅轉子超高效率三相異步電動機系列產(chǎn)品的考慮[J].電機與控制應用，2010，37(9)： 17-21.

[43] 趙海森，顧德軍.采用鑄鋁轉子和鑄銅轉子時鼠籠式異步電機的損耗特性對比[J].陜西電力，2011，39(2)： 5-8.

Review on Energy Saving and Analysis Technologies of Squirrel Cage Induction Motor*

FANGJianjun,XUYufa,LUOYudong,CHENYaxin

(Electrical Engineering School, Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China)

Squirrel cage induction motors were widely used in industry, agriculture and daily life, and so on. Reducing the loss had great significance for the motor industry. Enumerates various factors of the stray loss, and points out that analysis of stray loss was difficulty now. Then the analysis and calculation method of the copper loss and iron loss of stray loss were summarized. For reducing loss methods, structure design and material selection were summarized, and the feasibility of the new methods were analyzed. Finally, research focus and development trends of the loss about the squirrel cage induction motor were prospected.

squirrel cage induction motor; stray loss; loss analysis and calculation; copper loss; iron loss; method of energy saving

上海市自然科學基金項目(11ZR1413900)；上海市教委重點科研項目(09ZZ211)；上海市經(jīng)濟與信息化委員會項目(13X1-37)

房建俊(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為電機系統(tǒng)能耗及高效電機。

TM 343

A

1673-6540(2016)07-0057-06

2015-11-13