低效異步電機(jī)再制造的仿真研究

莫以為，陳建波

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

1 引言

再制造是利用專業(yè)的修復(fù)工藝或升級(jí)改造的技術(shù)手段，在原有廢舊機(jī)器設(shè)備的基礎(chǔ)上，將其再制造成具有品質(zhì)特性高于原先新品水平的一系列工程活動(dòng)[1]。電機(jī)的再制造被定義為通過重新設(shè)計(jì)以及替換部分失效或超過服役周期以及影響能量轉(zhuǎn)換效率的零部件的方法與手段，針對(duì)廢舊低效電機(jī)進(jìn)行升級(jí)的再制造，使得再制造電機(jī)成為具有功率相同或功率不相同的高效率等級(jí)電機(jī)，或者能夠匹配于某些特殊場(chǎng)合或特殊工況條件下的系統(tǒng)低能耗電機(jī)[2]。2014年，工信部公布了高耗能落后機(jī)電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄，其中包含Y、YB系列等電機(jī)300余項(xiàng)，大批量淘汰的舊電機(jī)可以作為再制造毛坯開展升級(jí)再制造工程[3]。因此實(shí)施低效廢舊電機(jī)的再制造工程對(duì)推進(jìn)節(jié)能減排工作、資源回收再利用意義重大。以一臺(tái)Y系列電機(jī)為再制造研究對(duì)象，基本參數(shù)，如表1所示。為了減少再制造成本，留用轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、機(jī)殼和軸承端蓋等部件，對(duì)定子鐵心改用低鐵損耗的無取向冷軋硅鋼片進(jìn)行了替換，并對(duì)定子槽型進(jìn)行了優(yōu)化，定子繞組重新再設(shè)計(jì)，最終使其效率達(dá)到規(guī)定的能效等級(jí)，其他性能指標(biāo)也能滿足工作使用要求，為電機(jī)的再制造提供了參考設(shè)計(jì)方案。

表1 電機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of Motor

2 電機(jī)模型建立及其損耗分析

為了節(jié)約計(jì)算機(jī)資源和計(jì)算時(shí)間成本，利用有限元數(shù)值分析（FEA）軟件建立了二分之一電機(jī)模型。建立的原電機(jī)有限元分析模型，如圖1所示。電機(jī)在正常工作過程中會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，從而影響了能量的轉(zhuǎn)化效率，電機(jī)效率的高低取決于功率損耗的多少，要使電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)化效率得到提高，就要降低電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的各項(xiàng)損耗。所研究的電機(jī)中各項(xiàng)損耗所占的百分比例值分別為，定子銅耗32.1%，轉(zhuǎn)子鋁耗21%，定子鐵心損耗18.8%，機(jī)械損耗11.9%，雜散損耗16.2%。由于在進(jìn)行再制造時(shí)保留了電機(jī)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子鋁耗的減小幅度會(huì)有所限制，因此要提升電機(jī)的工作效率，就必須在再設(shè)計(jì)階段減低電機(jī)定子部分的鐵耗、繞組的電氣損耗，附加損耗以及從制造工藝方面減小機(jī)械損耗入手。

圖 1電機(jī)有限元分析模型Fig.1 Finite Element Analysis Model of Motor

3 電機(jī)再制造方案的設(shè)計(jì)

3.1 定子鐵心的替換

鐵心損耗是通過磁滯、渦流損耗構(gòu)成[4]，由于這部分損耗將會(huì)轉(zhuǎn)化為鐵心的熱能，致使電機(jī)整體的溫升增大，運(yùn)行效率降低，因此應(yīng)在再制造設(shè)計(jì)階段要盡可能的減小電機(jī)的鐵心損耗。當(dāng)在額定工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子部分中磁通在單位時(shí)間中的變化率比較緩慢，從而引起轉(zhuǎn)子的鐵損耗數(shù)值相對(duì)微弱，因而可以不予考慮計(jì)入。硅鋼片材料能夠作為電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵材料，一般可以選用電磁性能優(yōu)良的硅鋼材料，其具有鐵損值較小的特性，使得電機(jī)鐵心損耗能夠得到有效降低。其中基本鐵耗的數(shù)學(xué)計(jì)算公式如下[4]：

式中：GFe—變化磁場(chǎng)作用的硅鋼質(zhì)量；Ka—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Phe—硅鋼材料的損耗系數(shù)，通常按下式計(jì)算：

式中：P15/50—當(dāng)B=1.5T，f=50赫茲時(shí)，每公斤硅鋼質(zhì)量中所產(chǎn)生的功率損耗，其數(shù)值通常可以根據(jù)硅鋼片的牌號(hào)在材料手冊(cè)中即可查得。通過上述的表達(dá)式分析可以看出，在頻率不變的前提下，基本鐵耗的大小，取決于鋼片的鐵損值等重要指標(biāo)，薄厚以及磁密等。另外，鐵心的疊壓制造技術(shù)水準(zhǔn)和加工方式對(duì)其也有不可忽略的影響[4]。

將原舊電機(jī)定子鐵心DR510-50硅鋼替換為具有優(yōu)質(zhì)電磁性能的冷軋硅鋼50WW270，并且保持與原鐵心幾何尺寸和結(jié)構(gòu)相同[5]。兩種不同鐵心材料的性能比較，其中電磁性能可以通過磁感以及鐵損等參數(shù)值來表征，如表2所示。對(duì)比表2中所給兩種材料具體的性能參數(shù)值，與此同時(shí)結(jié)合對(duì)圖2所示的兩種硅鋼材料的損耗曲線進(jìn)行分析，可以看出與原電機(jī)的硅鋼DR510-50的鐵損值相比較，新硅鋼50WW270的鐵損值等其他參數(shù)具有突出的性能優(yōu)勢(shì)，通過上述的數(shù)學(xué)表達(dá)式（1）可知，定子鐵心的損耗將會(huì)有顯著的下降，從而使得電機(jī)的運(yùn)行效率得到明顯提升，同時(shí)也會(huì)降低由功率損耗所引起的熱量，電機(jī)運(yùn)行的可靠性也得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

表2 兩種硅鋼材料的性能比較Tab.2 Performance Comparison of Two Kinds of Silicon Steel Material

圖2 損耗曲線對(duì)比Fig.2 Comparison of Loss Curves

磁化曲線對(duì)比，如圖3所示。通過對(duì)圖3中所展示的磁化曲線分析可得，由于原舊電機(jī)鐵心硅鋼的磁導(dǎo)率屬性顯著的小于新電工鋼50WW270的數(shù)值，也就表明了在產(chǎn)生大小相同的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的條件下，新硅鋼片電機(jī)比原電機(jī)所需的激磁繞組電流能夠明顯的減小[6]，可以直接有效的降低定子繞組產(chǎn)生的損耗，進(jìn)而也就實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率的提升。

圖3 磁化曲線對(duì)比Fig.3 Comparison of Magnetization Curves

電機(jī)損耗的計(jì)算值，如表3所示。由表3中可知，原電機(jī)定子鐵心被替換后，定子鐵心的損耗和定子繞組的焦耳損耗均所有下降，其中鐵耗的降低幅度較為顯著，同時(shí)鐵耗顯著下降原因的理論分析也得到了驗(yàn)證。此外，可以根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求，為了更進(jìn)一步的提升再制造電機(jī)能效，可以采用牌號(hào)更高的優(yōu)質(zhì)硅鋼材料制造鐵心。

表3 電機(jī)損耗計(jì)算值的對(duì)比Tab.3 Comparison of Calculated Values of Motor Losses

3.2 定子繞組的設(shè)計(jì)

繞組其實(shí)相當(dāng)于電機(jī)的心臟，這就意味著繞組對(duì)電機(jī)的性能具有至關(guān)重要的作用，對(duì)原電機(jī)進(jìn)行再制造時(shí)可設(shè)計(jì)低諧波繞組。低諧波繞組指的是諧波含量和成份非常低的一種繞組，通過對(duì)各定子槽線圈匝數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)配處理，使得定子磁勢(shì)沿圓周方向表現(xiàn)為正弦分布，可以將有害諧波含量最大程度地被削弱，能夠降低附加損耗，使得鐵心和繞組中由損耗引起的熱量有所降低，因而提高了電機(jī)的效率，同時(shí)改善了其他的性能指標(biāo)[7]。通過設(shè)計(jì)低諧波繞組來替代原電機(jī)的繞組，并適當(dāng)提高了線徑，以此來降低損耗、提升效率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)舊電機(jī)能效提升的再設(shè)計(jì)[5，8]。

為了重新再設(shè)計(jì)原電機(jī)的定子鐵心繞組，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中給出的低諧波繞組的設(shè)計(jì)理論，然后通過對(duì)繞組的形式，線圈匝數(shù)以及線規(guī)進(jìn)行合理調(diào)整，而對(duì)電機(jī)的其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不進(jìn)行改變?；趨⒖嘉墨I(xiàn)[7]中所展現(xiàn)的理論與設(shè)計(jì)方法，即N1：N2：N3=1.27：1.879：1，可作為電機(jī)的每極每相各線圈最佳的匝數(shù)分配比，考慮到實(shí)際的再設(shè)計(jì)要求，最后分別將13、20和6確定為新繞組電機(jī)的線圈匝數(shù)。原電機(jī)的繞組系數(shù)計(jì)算式可表示為：

式中：β—節(jié)距比；q—每極每相槽數(shù)；α—鄰槽電角度；β—節(jié)距比；ν—諧波次數(shù)。

低諧波繞組電機(jī)的繞組系數(shù)計(jì)算式[7]為：

式中：Nn—不同線圈匝數(shù)；βn—不同線圈節(jié)距比。

經(jīng)過以上分析與計(jì)算，再設(shè)計(jì)前后不同電機(jī)不同次諧波的繞組系數(shù)，如表4所示。分析表4中的數(shù)據(jù)可知，盡管低諧波繞組的基波系數(shù)相比較于原電機(jī)略微有些減小，然而可以清楚地看出其余的各次諧波繞組系數(shù)的降幅相對(duì)明顯，也就意味著由諧波磁場(chǎng)引起的電機(jī)附加損耗會(huì)被降低，轉(zhuǎn)子部分中由諧波引起的功率損耗也會(huì)被減弱。此外，與原繞組跨距相對(duì)比，低諧波繞組具一定優(yōu)勢(shì)，其平均跨距小，而且具有較為緊湊的繞組端部[7]，意味著繞組損耗也會(huì)降低。因此電機(jī)的機(jī)能轉(zhuǎn)化效率也會(huì)相應(yīng)提高。

表4 不同類型的繞組系數(shù)Tab.4 Different Types of Winding Coefficient

3.3 定子槽型的優(yōu)化

為了進(jìn)一步提高電機(jī)的效率，對(duì)定子槽型尺寸進(jìn)行優(yōu)化[9-10]。定子槽型尺寸的改變會(huì)影響電機(jī)的鐵損耗和雜散損耗，設(shè)計(jì)合理的槽型尺寸不但可以降低加工工藝的難度，同時(shí)增進(jìn)電機(jī)效率和功率因數(shù)[10]。田口方法（TaguchiMethods）是一種局部優(yōu)化的算法，具有實(shí)驗(yàn)次數(shù)少，快速簡(jiǎn)捷，實(shí)驗(yàn)成本低的等優(yōu)點(diǎn)。在進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題時(shí)，利用建立的正交實(shí)驗(yàn)表安排實(shí)驗(yàn)條件和方法，能夠很快的明確出最佳或最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)組合[11]。為了分析在不同定子槽型參數(shù)組合條件下對(duì)電機(jī)效率的影響情況，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)了正交表（OrthogonalArray），通過對(duì)槽型的各個(gè)參數(shù)開展了Taguchi實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定了實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)變量，其中，BS1—槽的寬度；HS1—槽斜肩的高度；BS2—槽底的直徑 ；HS0—槽口的高度；HS2—槽的高度；BS0—槽口的寬度。建立了L25（56）正交表，其中，25表示總的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，5表示水平數(shù)，6表示因子的個(gè)數(shù)，每種因素分別取5個(gè)水平，其取值范圍應(yīng)該要適宜于實(shí)際的加工工藝水準(zhǔn)，各個(gè)因素和所選取水平，如表5所示。其中，各個(gè)因素的正交實(shí)驗(yàn)的配置以及實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果，如表6所示。

表5 因子的水平表Tab.5 Factor Level Table

表6 正交試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Orthogonal Test and Experimental Results

方差是描述數(shù)據(jù)與其數(shù)學(xué)期望之間的差異或分散程度的量，通過進(jìn)行方差分析可以得出各參數(shù)變量的改變對(duì)該優(yōu)化目標(biāo)結(jié)果的影響情況，方差分析中的離差平方和的計(jì)算表達(dá)式如下：

式中：m—各因子；l—各因子水平數(shù)；Yi—第i次實(shí)驗(yàn)結(jié)果值；n—試驗(yàn)的次數(shù)；Kj（m）—m在j水平上實(shí)驗(yàn)值的總和；Sm—m因子的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的離差平方和。

經(jīng)上述計(jì)算與分析結(jié)果，如表7所示。由于方差的分析能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)變量的選擇提供了方向，為了緩解對(duì)計(jì)算資源的占用，通過減少設(shè)計(jì)變量，降低工作量，因此可以參考將定子槽型的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量確定為槽口寬度BS0、槽寬BS1、槽高HS2、槽底直徑BS2等這個(gè)4個(gè)因素。

表7 各參數(shù)對(duì)目標(biāo)值的影響及方差Tab.7 Effects of Parameters on Target Values and Variance

經(jīng)過優(yōu)化之后，得到了電機(jī)槽形最終優(yōu)化方案的各參數(shù)值，BS0為3.1mm，BS1為 6.8mm，HS2為13.9mm，BS2為 10.1mm。相比于優(yōu)化前，優(yōu)化后電機(jī)的效率提高了0.17%。為此按照上述設(shè)計(jì)方案對(duì)電機(jī)進(jìn)行改造后，經(jīng)計(jì)算得到了電機(jī)主要性能，如表8所示?？梢钥闯?，經(jīng)此方案改造后的再制造電機(jī)，效率提高了2.04%，提升至91.04%，達(dá)到了國家規(guī)定的能效3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，電機(jī)的其他力能指標(biāo)也相應(yīng)有了改善。對(duì)再制造電機(jī)進(jìn)行了有限元數(shù)值分析后，如圖4所示。表示的是其在穩(wěn)態(tài)條件下的磁通密度云圖。

表8 電機(jī)性能對(duì)比Tab.8 Contrast of Motor Performance

圖4 再制造電機(jī)的磁密云圖Fig.4 Magnetic Cloud Map of the Remanu Facturing Motor

4 結(jié)語

用結(jié)構(gòu)相同的新硅鋼鐵心替換原電機(jī)定子鐵心后，顯著地降低了定子鐵耗，因此在節(jié)能方面將此類優(yōu)質(zhì)硅鋼材料應(yīng)用于電機(jī)的再制造具有很大的優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)繞組的再設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各次諧波繞組系數(shù)的減小，有效削弱了諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的能量，從而降低了雜散損耗。依照此設(shè)計(jì)方案，最終使得再制造電機(jī)的效率提高至91.04%，符合了GB18613-2012標(biāo)準(zhǔn)中能效等級(jí)3級(jí)的規(guī)定，且其他性能也有相應(yīng)的改善，同時(shí)能夠滿足正常工作的使用要求。