電容運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步電動機(jī)的效率分析

朱興旺，黃開勝，劉 豐，吳幫超，方 超

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣州510006）

0 引 言

單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動機(jī)在生活生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，但是其效率卻普遍低于同規(guī)格的三相異步電動機(jī)［1］。提高電容運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步電動機(jī)的效率也能減小能源的浪費(fèi)。在對某款電容運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步電動機(jī)的改進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的計(jì)算方案和樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)偏差較大。通過分析發(fā)現(xiàn)，較好的控制電機(jī)負(fù)序磁場分量可以提高電機(jī)設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性。對某公司的電容運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步電動機(jī)的效率進(jìn)行優(yōu)化，先從理論的角度分析了電機(jī)效率和損耗的關(guān)系，然后分析了電機(jī)負(fù)序磁場分量對電機(jī)效率準(zhǔn)確性的影響。通過改進(jìn)電機(jī)的繞組和定轉(zhuǎn)子槽的方法將電機(jī)的效率提高了1%，制造樣機(jī)驗(yàn)證了方案的正確性。

1 電機(jī)效率分析

1． 1效率與損耗分析

根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)原理，電機(jī)效率通常由以下公式?jīng)Q定［2］：

式中：∑p為總損耗；P1為輸入功率；P2為輸出功率。

電機(jī)的總損耗∑p：

式中：pCu1為定子繞組銅耗；pAl2為轉(zhuǎn)子鋁耗；pFe為鐵損耗；pfw為機(jī)械損耗；padd附加損耗。下面分別對各項(xiàng)損耗進(jìn)行分析：

1）定子繞組銅耗由額定運(yùn)轉(zhuǎn)時繞組的銅損和電容的損耗組成。

由式（3）可得，降低定子繞組銅耗可以從降低主副繞組電流和降低主副繞組電阻來實(shí)現(xiàn)。實(shí)際電機(jī)里定子繞組電流變化不大，同一適配電容器的電阻不可控制，因此降低定子主副繞組電阻能有效降低定子繞組銅耗。

2）轉(zhuǎn)子鋁耗主要為滿載時轉(zhuǎn)子在運(yùn)行溫度下轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)電阻損耗。

與定子繞組銅耗同理，降低轉(zhuǎn)子鋁耗可通過降低轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)電阻來實(shí)現(xiàn)。

3）鐵損耗由交變主磁通在定子或轉(zhuǎn)子鐵心中產(chǎn)生的磁滯和渦流損耗造成。

式中：kFe為鐵損系數(shù)；f為電機(jī)穩(wěn)定工作時定子或轉(zhuǎn)子磁場頻率；a＝1．2～1．6，Bm為磁感強(qiáng)度；G 為鐵磁材料重量。

異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁場頻率f2＝sf1。因此，在計(jì)算三相異步電動機(jī)時，由于電機(jī)轉(zhuǎn)差率s的值在正常情況下很小，約為0．02～0．05，即當(dāng)定子磁場頻率為50 Hz時，轉(zhuǎn)子磁場頻率理論上僅為1～2．5 Hz，相對于定子磁場頻率來說頻率很小。所以三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的鐵心損耗在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)中可忽略不計(jì)。

但是對于單相電容運(yùn)行異步電動機(jī)來說，電機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)磁場可分別分解為正、負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場分量。正序旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)差率為s，因此正序旋轉(zhuǎn)磁場頻率f2＝sf1，與三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子鐵耗分析同理，正序旋轉(zhuǎn)磁場所產(chǎn)生的鐵耗相對于定子來說很小，在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)中可忽略不計(jì)。但由于電機(jī)的空氣隙中還存

在著負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場分量，負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)差率為2－s，負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場頻率f2＝（2－s）f1，即當(dāng)電機(jī)的定子磁場頻率為50 Hz、轉(zhuǎn)差率為0．05時，此時負(fù)序磁場頻率大小為97．5 Hz，頻率比定子磁場還要高。因此，由于負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場分量的存在，單相電容運(yùn)行異步電動機(jī)的鐵耗理論上不可忽略。可以降低電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的負(fù)序分量減小電機(jī)的鐵損。

4）機(jī)械損耗由軸承的摩擦和通風(fēng)的損耗組成。這往往有電機(jī)的制造工藝決定。

5）雜散損耗包括電機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)時鐵心中的損耗與負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時的附加損耗。

1． 2效率計(jì)算準(zhǔn)確性分析

針對電容運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步電動機(jī)的樣機(jī)效率提升的要求，設(shè)計(jì)一個效率計(jì)算值高達(dá)89%的方案。然而方案的試驗(yàn)值卻只有85．5%，與計(jì)算值的偏差過大。下面分析影響試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的原因。

對于正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)，電機(jī)的正序旋轉(zhuǎn)磁場是驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)的。電機(jī)需要從電網(wǎng)中吸取電功率并且將一部分轉(zhuǎn)換成電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動，電機(jī)的負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場也會吸取電網(wǎng)中電功率。但是這些能量都會轉(zhuǎn)化成電機(jī)轉(zhuǎn)子的熱損耗，不但消耗了能量又增加了電機(jī)的溫升。較大的負(fù)序磁場會引起電機(jī)較大的損耗和溫升，也將導(dǎo)致電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的下降和效率的降低［3］。

為分析電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動機(jī)的負(fù)序磁場分量，提出了表示負(fù)序磁場被削弱的程度需要一個比例系數(shù)來表征負(fù)序磁場分量（反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁勢）占的比重。設(shè)電容運(yùn)行單相異步電動機(jī)主、副繞組流有效值分別為Im和Ia，定子電流有效值為I1，主、副繞組電流相位角為φ。主、副繞組的有效匝數(shù)分別為

假設(shè)反轉(zhuǎn)磁勢比例系數(shù)kFma為反轉(zhuǎn)磁勢幅值與正轉(zhuǎn)磁勢幅值的比，即：

在一般情況下，在kFma在0～1之間，電動機(jī)中既有正轉(zhuǎn)磁勢，也有反轉(zhuǎn)磁勢，氣隙磁場為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。為尋找電機(jī)負(fù)序磁場對電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算值的影響，對某公司一系列的電機(jī)進(jìn)行了計(jì)算值和試驗(yàn)值的對比分析，如表1所示。

表1 樣機(jī)計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的偏差

對比整個系列的電機(jī)性能計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的偏差。負(fù)序分量比在0．3以內(nèi)，電機(jī)效率的偏差在1%左右。負(fù)序分量比在0．3～0．5之間，電機(jī)效率的偏差在6%以內(nèi)。負(fù)序分量比大于0．6時，電機(jī)效率的偏差將增大到10%以上。較小的負(fù)序分量比的電機(jī)，效率計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的偏差也會較小。實(shí)驗(yàn)表明，將負(fù)序磁場分量比限制在0．3以內(nèi)，電機(jī)效率的軟件仿真計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

2 電機(jī)的效率改進(jìn)

針對某公司一款電容運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步電動機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，其電機(jī)參數(shù)如表2所示。對電機(jī)進(jìn)行了仿真計(jì)算，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場的負(fù)序分量比只有0．04，得到的電機(jī)性能參數(shù)的計(jì)算和試驗(yàn)值十分接近，如表3所示。分析了樣機(jī)的軟件計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，二者的各項(xiàng)參數(shù)相差不大，說明在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場的負(fù)序分量比較小的情況下，采用Ansoft軟件的Rmxprt模塊能準(zhǔn)確完成電機(jī)的性能計(jì)算工作。計(jì)算了樣機(jī)的損耗分布，電機(jī)的總損耗123．37 W，其中定子銅耗為

表2 樣機(jī)主要參數(shù)

52．74 W，轉(zhuǎn)子鋁耗為28．94 W，兩者占了總損耗的66．21%。采用減小電機(jī)的定子銅耗和轉(zhuǎn)子鋁耗的方法提高電機(jī)的效率。

表3 樣機(jī)計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對比

2． 1繞組的優(yōu)化

電機(jī)的定子電流變化不大，電機(jī)的電容電阻不變時，減小繞組的電阻可以減小電機(jī)的銅損。通過提高繞組的線徑來減小繞組電阻，重新設(shè)計(jì)的繞組如圖1所示。繞組改進(jìn)后和改進(jìn)前參數(shù)對比如表4所示。主繞組的線徑由0．95 mm提高到1．06 mm，副繞組線徑由0．85 mm提高到1 mm。同時為保持定子槽的槽滿率不變［4］，將電機(jī)的定子槽加大，如表5所示。

圖1 改進(jìn)后繞組

表4 繞組改進(jìn)前后參數(shù)對比

表5 改進(jìn)后定子參數(shù)

由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流變化不大，為減小轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的鋁損耗，改進(jìn)了轉(zhuǎn)子的槽型，使導(dǎo)條電阻下降。采用Ansof t軟件掃描了轉(zhuǎn)子槽高對電機(jī)效率的影響，確定了轉(zhuǎn)子的槽高為7 mm，如圖2所示。改進(jìn)后轉(zhuǎn)子槽的參數(shù)如表6所示。

圖2 轉(zhuǎn)子槽高對電機(jī)效率的影響

表6 改進(jìn)后轉(zhuǎn)子槽參數(shù)

2． 2負(fù)序分量的分析

前文提到，電容運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步電動機(jī)的負(fù)序磁場分量比會影響電機(jī)計(jì)算值和試驗(yàn)值的偏差，影響計(jì)算方案的準(zhǔn)確性。同時減小電機(jī)磁場的負(fù)序分量能夠減小電機(jī)的損耗，提高電機(jī)的效率［5］。為方便計(jì)算電機(jī)磁場的負(fù)序分量比，設(shè)計(jì)了Excel程序。分別計(jì)算了改進(jìn)方案和原方案的負(fù)序分量比。如表7所示。對比發(fā)現(xiàn)改進(jìn)繞組后的新方案的電機(jī)磁場負(fù)序分量比只有0．01，比原電機(jī)的0．04小，有利于減小電機(jī)損耗，能夠使電機(jī)效率計(jì)算值和試驗(yàn)值的偏差減小。

表7 電機(jī)負(fù)序分量比計(jì)算表

3 樣機(jī)的制造與試驗(yàn)

對新方案進(jìn)行了樣機(jī)的制造和試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8所示。從表8中可以看到，電機(jī)的效率試驗(yàn)結(jié)果為86．8%，原方案效率85．8%，新方案比原電機(jī)的效率提高了1%。同時新方案的試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的偏差只有0．58%，這也說明當(dāng)電機(jī)負(fù)序分量比為0．01時效率計(jì)算值的偏差較小。

表8 改進(jìn)后電機(jī)方案實(shí)驗(yàn)參數(shù)對比

4 結(jié) 語

對于高效率的電容運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步電動機(jī)，進(jìn)一步提高電機(jī)的效率往往是困難的。本文在對某款電容運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步電動機(jī)的效率改進(jìn)時，發(fā)現(xiàn)電機(jī)仿真的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值存在較大的偏差。先從理論分析了提高電機(jī)效率的方法，接著提出并分析了影響電機(jī)仿真計(jì)算值的負(fù)序磁場分量比。通過分析發(fā)現(xiàn)電機(jī)負(fù)序分量比小于0．3時電機(jī)仿真計(jì)算值準(zhǔn)確性較好。然后對某款電容運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步電動機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了新繞組和定轉(zhuǎn)子槽型，將電機(jī)的效率提高了1%。制造了樣機(jī)，試驗(yàn)參數(shù)和計(jì)算值偏差較小，設(shè)計(jì)方案是可行的。

［1］ 許實(shí)章．電機(jī)學(xué)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990．

［2］ 胡巖，武建文．小型電動機(jī)現(xiàn)代實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2007．

［3］ 張尊睦．石材翻新機(jī)用單相感應(yīng)電機(jī)分析與設(shè)計(jì)［D］．廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2012．

［4］ 黃開勝，羅曉鴻．雙排槽單相電運(yùn)行異步電動機(jī)電磁設(shè)計(jì)［J］．電機(jī)技術(shù)，1993（3）：8－11．

［5］ ZHONG Hui，WANG Xiuhe，WANG Daohan，et al．Anal ysis and design of a new type high－ef f iciency single－phase induction motor based on negative sequence magnetic f iel d compensation［C］／／Inter national Conf erence on Electrical Machines ＆ Systems，2008：3962－3966．