高效高壓異步電機(jī)的分析與設(shè)計(jì)

劉立國

（沈陽遠(yuǎn)大科技電工有限公司，遼寧 沈陽 1 1 0 0 2 7）

高效高壓異步電機(jī)的分析與設(shè)計(jì)

劉立國

（沈陽遠(yuǎn)大科技電工有限公司，遼寧 沈陽 1 1 0 0 2 7）

為了達(dá)到設(shè)計(jì)電機(jī)低成本高效率的目的，本文以Y K K 3 5 5 ～6 3 0 系列高壓異步電機(jī)為例，分析其效率損耗的原因、構(gòu)成，并加以改進(jìn)。

高效高壓異步電機(jī)；損耗原因；損耗構(gòu)成

在當(dāng)今節(jié)能減排的大環(huán)境下，高效電機(jī)無疑是今后電機(jī)的發(fā)展方向，2 0 0 6年國家發(fā)改委已經(jīng)把電機(jī)及其配套設(shè)施的節(jié)能列入了十大節(jié)能工程中。

為了達(dá)到節(jié)能減排、提高電機(jī)效率的目的，提出了很多的方法。例如針對電機(jī)設(shè)計(jì)方面，引入了多種優(yōu)化算法，包括電磁方面、機(jī)械、通風(fēng)散熱等多個(gè)方面在計(jì)算分析手段上進(jìn)行改進(jìn)提高。此外還在新工藝、新材料的應(yīng)用上進(jìn)行了大量的探討研究，從而大大提高了電機(jī)的效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。本文選取中型高壓異步系列電機(jī)進(jìn)行分析，對五大損耗進(jìn)行系統(tǒng)分析，針對不同特點(diǎn)提出相應(yīng)的解決措施，以達(dá)到將電機(jī)損耗降低2 0%的目的。

1 分析該系列電機(jī)的損耗構(gòu)成

電機(jī)的五大損耗為：電機(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子鋁耗、鐵耗、雜耗、機(jī)械耗。本文以中型異步高壓系列的電機(jī)為例進(jìn)行分析。涵蓋2-1 2極，2 2 0～2 8 0 0 k W的系列產(chǎn)品范圍。以現(xiàn)有產(chǎn)品系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為依據(jù)繪制出損耗分析圖。圖1為相同轉(zhuǎn)速不同功率下電機(jī)損耗與額定功率比值的百分比曲線。

可以看出隨著電機(jī)功率的增加電機(jī)的各項(xiàng)損耗均相應(yīng)較小。其占比大小依次為電機(jī)定子銅耗、機(jī)械耗、鐵耗、雜耗及轉(zhuǎn)子鋁耗。其中在小功率上電機(jī)的定子銅耗占比較大，解決銅耗能取得更為顯著的效果。

圖2為相同電機(jī)功率下的不同轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)五大損耗的比例分布圖。由曲線可以看出在電機(jī)極數(shù)少損耗的占比大小依次為機(jī)械耗、銅耗、鐵耗、雜耗、轉(zhuǎn)子損耗。在電機(jī)極數(shù)交多時(shí)，其損耗的占比依次為銅耗、鐵耗、雜耗、轉(zhuǎn)子損耗、機(jī)械耗。

圖1

圖2

通過上述分析比較，可以為我們在進(jìn)行高效電機(jī)設(shè)計(jì)考慮損耗時(shí)更能抓住要點(diǎn)。

2 高效電機(jī)設(shè)計(jì)的基本方案

2.1 減小電機(jī)銅耗的措施

電機(jī)定子的銅耗計(jì)算公式為Pcu1=I2·R?？梢钥闯鲭姍C(jī)定子的銅耗與電機(jī)的定子電流和繞組電阻有關(guān)。在設(shè)計(jì)時(shí)常用的方法一是增加電機(jī)的繞組截面積，降低定子繞組電密。由于繞組截面的增多將需要增加一定的定子鉄長或增大電機(jī)的沖片外徑。方法二，增加繞組的匝數(shù)，以此提高電機(jī)的功率因數(shù)降低電機(jī)的勵(lì)磁電流，從而降低定子電流來降低電機(jī)的定子銅耗。單此方法將會(huì)引起電機(jī)有較高的熱負(fù)荷，需要對電機(jī)進(jìn)行通風(fēng)的強(qiáng)化。方法三，降低電機(jī)額定運(yùn)行溫升，電機(jī)工作溫度為1 1 5℃與7 5℃時(shí)電機(jī)的繞組電阻比值為1.1 3。由此看出合理的電機(jī)溫升及電機(jī)的通風(fēng)冷卻形式也將對電機(jī)的效率產(chǎn)生較大的影響。方法四，合理的繞組節(jié)距及合適的繞組端部間隙，以減少端部長度，降低繞組電阻，提高電機(jī)效率。

轉(zhuǎn)子繞組的設(shè)計(jì)也可從上述方面考慮，同時(shí)可以考慮采用銅條轉(zhuǎn)子，降低繞組材料的電阻率，從而達(dá)到降低損耗提高效率的目的。

2.2 降低電機(jī)鐵耗的措施

根據(jù)上面分析可以看出電機(jī)鐵耗在損耗中占較高的比例，尤其是在電機(jī)極數(shù)多轉(zhuǎn)速低的電機(jī)上。在電機(jī)工作是發(fā)生鐵損耗的原因有兩種：（1）鐵心產(chǎn)生的磁滯；（2）鐵心產(chǎn)生的渦流。電機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，磁通在轉(zhuǎn)子上的變化不大，因此轉(zhuǎn)子發(fā)生的鐵心損耗可以不計(jì)。其鐵耗表達(dá)式：

在設(shè)計(jì)時(shí)一般采取的措施為采用磁導(dǎo)率高、鐵耗低的優(yōu)質(zhì)矽鋼片如W3 6 5。國內(nèi)的矽鋼片廠家已經(jīng)專門為電機(jī)開發(fā)出了高磁導(dǎo)率矽鋼片，且矽鋼片的鐵耗要比國標(biāo)降低許多。國內(nèi)目前在此類電機(jī)上多采用0.5 mm厚的w 4 7 0矽鋼片，如采用0.3 5 mm或更薄的矽鋼片將會(huì)取得更好的效果。

合理的磁路設(shè)計(jì)，通過電機(jī)各部位的磁路磁密設(shè)計(jì)及磁壓降計(jì)算，力求最佳的磁路參數(shù)。避免局部的溫度過高造成鐵耗迅速增大和勵(lì)磁電流的增長，增加電機(jī)的損耗。

由于矽鋼片的沖槽造成局部晶粒結(jié)構(gòu)的變化引起局部損耗增大，根據(jù)測試數(shù)據(jù)沖口部位增加2 0%以上。通過鐵芯回火的方式可以消除應(yīng)力，恢復(fù)矽鋼片的良好性能，起到降低鐵耗的作用。根據(jù)電機(jī)的損耗組成的成分，本文對定子的材料更換成5 0 W3 6 0-5 0低損耗硅鋼片，代替了原來的5 0 W4 7 0-5 0；并對機(jī)械損耗中風(fēng)摩損耗的這一損耗進(jìn)行了計(jì)算，并得出最優(yōu)效率點(diǎn)。綜合考慮到高壓異步電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，調(diào)整了設(shè)計(jì)，從而使得在低成本高效率的原則下，對高壓異步電機(jī)進(jìn)行了改良。

2.3 電機(jī)雜耗的控制措施

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)G B 1 0 3 2，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)或?qū)嶒?yàn)時(shí)雜耗可以采用推薦公式或查圖表填寫。在此建議進(jìn)行電機(jī)雜耗的實(shí)測試驗(yàn)，在采用了相應(yīng)的降低雜耗的措施后實(shí)際的雜耗值遠(yuǎn)小于推薦值。在設(shè)計(jì)中常采用的方法包括。合理的槽配合、適合磁導(dǎo)率磁性槽楔或槽泥、加大電機(jī)氣隙，減少定轉(zhuǎn)子之間的諧波感應(yīng)、采用正弦波繞組，減小電機(jī)壓圈厚度、增大電機(jī)繞組與金屬結(jié)構(gòu)件之間的距離等。

2.4 電機(jī)機(jī)械耗的控制措施

機(jī)械損耗在電機(jī)中占有較大的比重,是考慮在不增加成本的前提下提升電機(jī)效率的最佳方法之一,然而在機(jī)械損耗包括的軸承損耗和風(fēng)摩損耗中，風(fēng)摩損耗在其中占有很大的比重，軸承損耗可以忽略。因此，在此針對風(fēng)摩損耗進(jìn)行了重點(diǎn)的分析。風(fēng)扇是通風(fēng)扇的元件，是熱影響電機(jī)溫升的最關(guān)鍵因素。在此風(fēng)扇和電機(jī)通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)統(tǒng)一分析。

第一，電機(jī)的冷卻風(fēng)量可以根據(jù)電機(jī)的需要散出的損耗功率和風(fēng)路空氣設(shè)計(jì)溫升及空氣的比熱容進(jìn)行確定。第二，確定電機(jī)的風(fēng)路結(jié)構(gòu)，確保冷卻的風(fēng)量能夠合理的吹到設(shè)計(jì)的散熱表面及合理的風(fēng)速。目前采用的結(jié)構(gòu)多為帶徑向通風(fēng)道的雙側(cè)徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)和單側(cè)通風(fēng)的混流式的通風(fēng)結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要使風(fēng)路通暢，避免出現(xiàn)吹不到散熱面和風(fēng)阻過大的問題。繞組鐵芯的溫升計(jì)算確保電機(jī)溫升符合要求。第三，對風(fēng)路進(jìn)行風(fēng)阻計(jì)算。根據(jù)上述確定的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，對電機(jī)通風(fēng)孔尺寸、通風(fēng)道數(shù)量、繞組端部尺寸及端部間隙等進(jìn)行計(jì)算。第四，根據(jù)離心風(fēng)扇的工作特性，效率特性選用后傾式風(fēng)扇，并根據(jù)風(fēng)量、風(fēng)阻及風(fēng)扇計(jì)算公式進(jìn)行風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，確保采用最佳的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)尺寸。

上述四部具體算法可參看汽輪機(jī)溫升計(jì)算、大電機(jī)通風(fēng)計(jì)算、老版的電機(jī)設(shè)計(jì)及相關(guān)此類的流體書籍進(jìn)行計(jì)算。

3 高效電機(jī)設(shè)計(jì)的效果驗(yàn)證

此樣機(jī)采用了少量的增加電機(jī)繞組用銅量、鑄鋁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子、B 5 0 A 4 7 0矽鋼片、磁性槽楔、單側(cè)混合式通風(fēng)、后傾風(fēng)扇等措施。成本相對原始設(shè)計(jì)方案增加1 0%。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1

綜合本文可以看出對Y K K 3 5 5-6 3 0系列高效高壓異步電機(jī)可以采用多種方法進(jìn)行降耗設(shè)計(jì)，根據(jù)具體情況采用部分措施即可達(dá)到高效電機(jī)的要求。在設(shè)計(jì)高效電機(jī)時(shí)從成本及產(chǎn)品系列化的角度考慮，建議使用較常規(guī)使用的矽鋼片提高一個(gè)等級，采用磁性槽楔和后傾式風(fēng)扇及單側(cè)混流通風(fēng)的方式。在設(shè)計(jì)超高效一級能效電機(jī)時(shí)采用高磁導(dǎo)的矽鋼片，正弦波繞組、銅條轉(zhuǎn)子、及高效電機(jī)的通風(fēng)散熱方法。目前國內(nèi)各廠家設(shè)計(jì)高效電機(jī)時(shí)使用的方法和側(cè)重點(diǎn)不同，有些廠家采用增加用銅和提高矽鋼片性能的方法是不可取的。

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