YE3系列三相異步電動機能效達標措施

陳兆先　李學生　申保金　楊麗斐

(中鋼集團安徽天源科技股份有限公司)

電動機拖動空壓機、水泵、機床、風機等各種旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備，在我國工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、家用電器等領(lǐng)域應(yīng)用十分的廣泛。電動機消耗的電能占全國用電量的大部分。據(jù)統(tǒng)計測算，2011年我國各類電動機保有量約為17億kW，總耗電量約達3萬億kWh以上，約占全國用電量的64%[1]。隨著能源形勢和環(huán)境問題的日益嚴峻，我國開展了節(jié)能減排工作，國家在十三五規(guī)劃中對節(jié)能減排提出了具體要求。實現(xiàn)節(jié)能減排可從電動機入手，電動機未來將朝著高效節(jié)能的方向發(fā)展，用YE3系列高效三相異步電動機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高能耗電動機，不但能降低企業(yè)用電成本，還能促進節(jié)能減排工作的開展，意義重大。

1　選擇合適的沖片槽型

三相異步電動機的定子銅損耗Pcu1約占總損耗的28%，主要是電機運行時定子繞組的電阻損耗。定子銅損耗的計算公式為[2]：

(1)

式中，I1為定子電流；R1為繞組的直流電阻。

直流電阻計算公式為[3]：

(2)

式中，l為繞組導(dǎo)體的長度；Ac為繞組導(dǎo)體的截面積；ρ為繞組導(dǎo)體材料的電阻率。

由公式(1)和(2)可知，定子銅損耗與定子電流和繞組的直流電阻有關(guān)。繞組的直流電阻與繞組導(dǎo)體的截面積成反比、與繞組導(dǎo)體材料的電阻率和繞組導(dǎo)體的長度成正比，因此可通過采取增加繞組導(dǎo)體的截面積減小繞組的直流電阻。繞組導(dǎo)體的截面積的增加，會導(dǎo)致繞組的槽滿率增加，槽滿率過高不利于嵌線，這時需要放大原來的槽型，將槽滿率維持在一個最佳值。繞組導(dǎo)體的截面積增加，將使定子電流密度降低，繞組溫升與原來相比會減小，而繞組導(dǎo)體材料的電阻率隨著溫度升高而增大，繞組的直流電阻將會隨著繞組溫升減小而減小，因此增大繞組導(dǎo)體的截面積，可減小繞組的直流電阻，進一步降低定子銅損耗，最終提高三相異步電動機的效率。

YE3系列高效三相異步電動機從H80到H355機座號有上百種規(guī)格，如果將YE3系列高效三相異步電動機所有沖片模具都開出來，即使開的是復(fù)合模，也要500～600萬元，對于中小型電機廠來說投入太大。為了減少開模費用的投入，可借用已有的國標系列沖片槽型來設(shè)計YE3系列高效三相異步電動機。有很多專業(yè)生產(chǎn)鐵心的廠家把國標Y2、YX3、YB3系列全套定轉(zhuǎn)子沖片模具已開好，在訂購鐵心時，只要指定好已有的沖片槽型、鐵心材質(zhì)以及鐵心的長度即可，不需重新開模具。通過分析Y2系列、YX3系列、YB3系列定轉(zhuǎn)子沖片的槽型，得出YB3系列槽型最大、YX3系列其次、Y2系列最小。對這3個系列定轉(zhuǎn)子沖片槽型分別進行了電磁計算及樣機試驗，經(jīng)過電動機成本和效率對比，得出YX3系列電動機槽型最適合做YE3系列高效三相異步電動機的槽型。

2　控制生產(chǎn)工藝

(1)減小繞組端部的長度。由式(1)和(2)可知，定子銅損耗與繞組導(dǎo)體的長度成正比，定子繞組端部長度占繞組總長度的1/4～1/2，這樣端部直流電阻值將占總電阻值的1/4～1/2，在實際生產(chǎn)過程中通過優(yōu)化繞線模具，減少繞組端部長度，可減少繞組直流電阻，從而進一步減少定子銅損耗，提高三相異步電動機的效率。

(2)控制好定轉(zhuǎn)子鐵心錯位尺寸。三相異步電動機的定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心錯位，等效為定轉(zhuǎn)子鐵心長度減小，定轉(zhuǎn)子鐵心長度減小，使磁通密度增加，引起勵磁電流增大，功率因素降低，最終使電動機的定子電流增大，定子損銅耗增加，效率降低。為了使YE3系列高效三相異步電動機效率達標，必須縮小定、轉(zhuǎn)子鐵心錯位尺寸。有繞組定子鐵心壓入機殼的尺寸比較容易控制，不需考慮原來電動機軸采用的光軸，在熱套時鑄鋁轉(zhuǎn)子的熱套尺寸不易控制，為控制好鑄鋁轉(zhuǎn)子的熱套尺寸，制造一些專用的限位工裝，這樣便可縮小定轉(zhuǎn)子鐵心錯位尺寸。

3　控制沖片的材質(zhì)

鐵損耗約占總損耗的22%，主要為鐵心中因主磁通交變引起磁滯損耗及渦流損耗，常按下式計算基本鐵損耗PFe[4]：

(3)

式中，P1.0/50為當B=796.17 kA/m、f=50 Hz時，硅鋼片單位質(zhì)量內(nèi)的損耗(W/kg)；B為鐵心磁通密度；f為磁通交變頻率；GFe為受交變磁化作用的硅鋼片質(zhì)量；K為經(jīng)驗系數(shù)，考慮鐵心加工、磁通密度分布不均勻等因素使鐵損耗增加的修正系數(shù)。

通過公式(3)可知，三相異步電動機的基本鐵損耗與鐵心所用材料的單位損耗、鐵心磁通密度、受交變磁化作用的硅鋼片質(zhì)量有關(guān)。YE2系列三相異步電動機在設(shè)計時采用的是50DW600硅鋼片，在設(shè)計YE3系列高效三相異步電動機時，為了降低鐵耗，應(yīng)選擇單位質(zhì)量鐵損值更低的硅鋼片。

根據(jù)定子銅損耗計算公式(1)可知，減小定子電流可減少繞組銅損耗。由電機學理論可知：定子電流可以分解為負載電流和勵磁電流，負載電流產(chǎn)生軸上的功率和各種損耗，勵磁電流產(chǎn)生磁通。YE3系列高效三相異步電動機硅鋼片的合理選擇尤其重要，在設(shè)計高效電動機時，應(yīng)考慮采用導(dǎo)磁性能好的硅鋼片。B50表示的是磁化場為5 kA/m時的磁感應(yīng)強度，其值為硅鋼片的導(dǎo)磁能力，硅鋼片的導(dǎo)磁能力越強，在相同磁通密度下，B50值越大，產(chǎn)生激磁電流越小，定子電流的無功分量少，功率因數(shù)提高，定子電流小，定子銅損耗少。P1.5/50表示當B=1 194.27 kA/m、f=50 Hz時，硅鋼片單位質(zhì)量內(nèi)的損耗，在相同磁通密度和磁通交變頻率下，P1.5/50值越小，鐵心的鐵損耗越低。

硅鋼片國標性能參數(shù)與鋼廠實際值相差很大，國標[5]規(guī)定50DW470的P1.5/50值為4.7 W/kg，B50值為1 305.73 kA/m，例如武鋼生產(chǎn)的50WW470硅鋼片P1.5/50值為3.25 W/kg，B50值為1 353.50 kA/m。武鋼生產(chǎn)的硅鋼片的鐵損值比國標值小了30.85%，武鋼生產(chǎn)的硅鋼片的磁感應(yīng)強度大了3.66%。因此，在采購鐵心時，不但要指定硅鋼片的牌號，還要將硅鋼片的鐵損值P1.5/50和磁通密度值B50做出明確規(guī)定。

4　確定定轉(zhuǎn)子銅損耗、風摩損耗和溫升三者之間的最佳關(guān)系

定轉(zhuǎn)子銅損耗隨電動機溫升升高而增大，而電動機的溫升隨著電動機風扇加大而減小，電動機風摩損隨著風扇加大而增大，在原來YX3系列三相異步電動機設(shè)計過程中，通過減小風扇尺寸，來減小風摩損耗的方法，在YE3系列三相異步電動機的設(shè)計中不一定適用。為了提高電動機的效率，必須確定好定轉(zhuǎn)子銅損耗、風摩損耗和電動機風扇大小三者之間的最佳關(guān)系。為此，在YE3系列高效三相異步電動機能效達標的過程中，進行了一系列對比試驗，研究三相異步電動機的效率和溫升、風摩損耗之間的關(guān)系。

Y2系列風扇的直徑和葉片面積都比YX3系列風扇大，為了研究電動機的效率和溫升、風摩損耗之間的內(nèi)在聯(lián)系，用YE3-90S-6、YE3-90L-2、YE3-100L2-4、YE3-112M-2、YE3-132S1-2、YE3-160L-6、YE3-180M-4、YE3-280M-6分別安裝YX3和Y2的風扇進行型式試驗，具體試驗數(shù)據(jù)見表1。

由表1可知，YE3-90S-6、YE3-90L-2、YE3-100L2-4使用Y2風葉的效率比使用YX3風葉的效率分別提高了0.81、0.67、0.45個百分點。YE3-112M-2、YE3-132S1-2、YE3-160L-6、YE3-180M-4、YE3-280M-6使用Y2風葉的效率比使用YX3風葉的效率分別下降了0.23、0.27、0.17、0.19、0.16個百分點。YE3-90S-6、YE3-90L-2、YE3-100L2-4三款電動機使用Y2系列風葉，雖然風摩損耗增大了，但隨著溫升下降定轉(zhuǎn)子銅損耗也下降，這三款電動機定轉(zhuǎn)子銅損耗下降幅度，要大于風扇增大引起的風摩擦損耗的增量，所以最終效率得到了提高。相反YE3-112M-2、YE3-132S1-2、YE3-160L-6、YE3-180M-4、YE3-280M-6五款電動機定轉(zhuǎn)子銅損耗下降的幅度小于風扇增大引起的風摩損耗的增量，所以最終效率下降。綜上所述，YE3系列高效三相異步電動機H112以下機座號采用Y2系列風葉，H112及以上機座號采用YX3系列風葉。

表1　YX3風扇和Y2風扇的對比試驗

5　降低雜散損耗

三相異步電動機除定轉(zhuǎn)子銅損耗、鐵損耗、風摩損耗以外的損耗統(tǒng)稱雜散損耗，雜散損耗主要有由負載電流引起的氣隙諧波磁通，在定轉(zhuǎn)子鐵心中產(chǎn)生的表面損耗和脈振損耗、轉(zhuǎn)子感應(yīng)諧波電流產(chǎn)生的損耗、斜槽籠型轉(zhuǎn)子導(dǎo)條間橫向電流損耗等[2]。雜散損耗與定轉(zhuǎn)子之間氣隙的1.5次方有關(guān)，隨著氣隙的增加而減小。因此，可以通過放大定轉(zhuǎn)子之間的氣隙來減少三相異步電動機的雜散損耗，進一步提高三相異步電動機的效率。但是三相異步電動機氣隙放大會使其勵磁電流和空載電流增大，而功率因素正比于空載電流和額定電流之比，隨著氣隙的放大，功率因素會減小，最終引起定子電流增加，電流增加以后定子銅損耗又升高，并且對雜散損耗還有一定的負面影響。在放大氣隙的同時，要綜合考慮各參數(shù)之間的變化。

為了驗證適當?shù)姆糯髿庀?，可減小三相異步電動機的雜散損耗，進一步提高三相異步電動機的效率，采用6個規(guī)格的三相異步電動機，分別在放大氣隙前和放大氣隙后進行了型式試驗，具體數(shù)據(jù)見表2。通過表2可以得出，適當放大氣隙可以降低三相異步電動機的雜散損耗，可進一步提高YE3系列高效三相異步電動機的效率。

6　結(jié)　語

在YE3系列高效三相異步電動機的能效達標工作過程中，通過樣機的試制和關(guān)鍵性技術(shù)的研究，確定了最適合做YE3系列高效三相異步電動機的定轉(zhuǎn)子沖片規(guī)格、牌號、槽型，確定了YE3系列高效三相異步電動機風扇類型，確定了YE3系列高效三相異步電動機定轉(zhuǎn)子之間的氣隙尺寸，為生產(chǎn)能效達標的全系列YE3系列高效電動機探索出了最佳的工藝條件。

表2　不同氣隙對電動機雜散損耗影響的試驗

[1]游夢娜.電機系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2013.

[2]黃國志，傅豐禮.中小型旋轉(zhuǎn)電動機設(shè)計手冊[M].北京：中國電力出版社，2014.

[3]戴文進，張景明.電機設(shè)計[M].北京：清華大學出版社，2012.

[4]陳世坤.電機設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[5]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 2521—2008冷軋取向和無取向電工鋼帶(片)[S].北京：中國標準出版社，2008.