提高小型电机效率的方法

浅谈提高小型电机效率的方法浅谈提高小型电机效率的方法 张忠锋 姚桂颖 佳木斯电机股份有限公司 黑龙江佳木斯 摘要 主要介绍提高小型电机效率的主要途径 并详细介绍了降低各种损耗应采取的措施 通过性能分 析阐述降低各种损耗对提高电机效率的影响 为高效电机的发展提供一些技术参考 关键词 高效 效率 损耗 中图分类号 TM343 文献标识码 B 文章编号 1008 7281 2005 05 0015 03 DiSCUSSion on the MethOd Of Improving Emciency Of Small Sized Motor Zhang Zhongfeng and Yao Guiying Abstract This paper introduces the main ways of improving efficiency of small sized motor and t he selected measure 0f reducing various losses describes the influence of reducing various losses on improving efficiency of motor through performance analysis and provides some technical refer ence 0n development of high efficiency motor Key words High efficiency efficiency loss 1 引 言 随着能源价格的上涨 人们对节约能源和环境保护认识的加强 世界各国相继出台了能效标准 如美 国于 1992 年颁布了能源政策法令 E PACT 在该法规中规定了 1 200 马力三相异步电动机的效率标准 过渡期为 5 年 1997 年 10 月 24 日开始实施 加拿大也颁布了同样的法规 从 1996 年 1 月开始实施 欧洲在 1999 年对 1 1kW 90kW 电机达成了协议 根据电机的运行时间 将效率分为 effl eff2 eft 3 三个等级 从 2003 2006 年间分步实施 我国也于 2002 年出台了 GBl8613 2002 中小型三相异步 电动机能效限定值和节能评价值 标准 并且是强制性的 所以开发研制高效电动机是社会发展的必然趋 势 也是企业参与市场竞争的需要 2 提高电动机效率应采取的措施 2 1 损耗的组成 定转子铜损耗 基本铁损耗 机械损耗 杂散损耗 提高电机的效率 主要就是如何降低以上各种损耗 下面将逐一论述降低各种损耗对提高电机效率的 影响 2 2 降低定子铜耗的措施 定子绕组铜损耗 Pcul w 约占总损耗的 40 主要为满载时定子绕组在运行温度下的电阻损耗 定子绕 组铜损耗计算公式为 Pcul 3112r1 定子铜耗在电动机损耗中占有相当大的比例 如何降低定子铜耗 对提 高电动机的效率非常关键 降低定子铜耗就是降低定子电阻 R1 定子电流 I1 定子电阻 R1 L S 故 降低定子电阻就是通过缩短线圈长度 L 加大每圈导线截面 s 和降低导线电阻率 来实现 具体措施如下 1 提高槽满率 缩短绕组端部长度 这就要求我们在线圈的绕制 嵌线有较高工艺手段进行保证 另外对定子的叠片质量也有较高的要求 要严格保证槽形尺寸 保证叠片齐整 2 减薄绝缘 提高槽利用率 目前国外多数厂家已经将低压槽绝缘减薄到 0 2mm 我国 0 2mm 的槽绝缘耐压水平已能满足要求 而加厚槽绝缘的作用是为了防止槽形不齐 毛刺而损伤绝缘 因此减薄绝缘要求定子槽形必须整齐 无 毛刺 3 降低电磁线的电阻率 可采用新材料 2 3 降低转子铝耗的措施 1 采用大截面积的转子槽形和加大端环截面 2 提高铝的纯度 降低转子电阻 2 4 降低铁耗的措施 铁心损耗 Pfe w 占总损耗的 20 由交变主磁通在定子或转子铁心 分别计算 中产生的磁滞损耗和涡 流损耗组成 正常运转时 异步电机转子的磁通变化频率很低 转子铁心损耗可以忽略不计 采取如下措 施 1 采用低损耗的优质冷轧硅钢片 采用较薄硅钢片 减少电机的涡流损耗 2 调整槽形 选用合理的磁密 减少基波铁损耗 3 增加铁心长 用较多的硅钢片 减少磁密来降低损耗 4 提高叠片质量 减少冲裁应力 减少齿外胀 保证硅钢片表面的绝缘层 清除冲片的毛刺 5 铁心制造工艺对铁耗的影响 电机冲片都是用冲孔工艺制造的 冷轧硅钢片具有高导磁 低损耗的 优点 但经冲剪加工后 沿冲剪分离线的边缘由于塑性变形引起了内部应力的积聚和物理性能的变化 会 导致冷轧硅钢片的导磁性能降低 铁耗增加 这对充分利用冷轧硅钢片的优良导磁性能带来了不利因素 对高效率电机的设计来说 高导磁 低损耗的导磁材料是高效率电机的设计基础 尤其在高效率电机制造 中 降低损耗 铁耗 提高磁感应强度将是高效率电机设计成败的关键 恢复冷轧硅钢片在冲剪后的高导 磁 低损耗性能 消除冷轧硅钢片冲剪时因塑性变形引起的冲剪应力 可选择合适的退火处理工艺 如图 1 所示 此主题相关图片如下 图 1 冷轧硅钢片的退火工艺 该退火工艺对恢复材料原有的磁性能有极佳的效果 详见表 1 此主题相关图片如下 从表 1 试验结果看 冷轧硅 钢板退火后 铁损比退火前有明显降低 降低幅度超过 15 导磁性能也有提高 冷轧硅钢板在冲剪和 弯曲等加工过程中 由于机械应力导致磁性恶化 恶化程度随冲切宽度减窄而明显增大 如试样宽度由 3 0mm 变为 3mm 后 铁耗 P 由 5 84W kg 增大到 7 57W kg 相当于降低了 2 个牌号 经退火消 除应力后 铁耗 Pfe 由 7 57W kg 降至 4 97W kg 相当于升高了 3 个牌号 磁感应强度也有较大的 改善 接近于原有水平 这为开发高效率电机提供了一个降低铁耗的工艺措施 2 5 降低机械耗的措施 机械损耗 Pfw w 约占总损耗的 5 包括风扇及通风系统的损耗 电机转子表面即冷却介质的摩擦损 耗 轴承摩擦损耗 密封圈摩擦损耗等 风摩损耗的产生与电机转速 通风方式 风扇形式 风扇外径 转子外径 轴承类型 润滑特性 机械加工精度及装配质量等有关 1 选用与电机转速相匹配的高效风扇及合理风路 目前我国现有的封闭外扇冷式电机 采用正反向叶 片 径向分布盆式风扇 结构虽较简单 但气流经过风扇时 与叶片不一致 就会在叶片间产生较大的涡 流 另外 叶片铸造粗糙 也使风流不畅 也会使风摩耗增加 为减少风量 降低风路风阻 改进风扇设计 提高风扇的效率 可在大机座号上采用轴流式 尤其是叶 片为机翼式 或后倾式风扇 如 2 极电机采用不可逆的后倾式风扇 可使风量不变 风磨耗降低 20 以前我们主要关心风扇的设计 不太注重端罩导风结构的优化设计 造成风叶导风效率低 要降低风 摩耗 故设计一定要一起整体考虑 进行整体优化设计 2 选用优质低磨擦轴承 摩擦阻力小的润滑脂 密封圈 降低摩擦损耗 3 零部件尺寸采用中间公差及提高形位公差精度 且保证零部件在运输 装配不变形 同时保证电机 整机装配质量 从而可降低摩擦损耗 2 6 降低杂散损耗措施 杂散损耗 Ps w 约占总损耗的 10 除上述四种损耗以外的全部损耗 杂散损耗包括由槽漏磁引起导 体中电流集肤效应产生的损耗 定子谐波磁通在转子绕组中感应谐波电流产生的损耗以及斜槽笼型转子导 条间的横向电流在导条与叠片铁心之间构成回路产生的损耗 这些损耗与绕组形式 节距 槽型 槽数 槽配合 槽绝缘 气隙长度 绕组端部与端盖距离 槽中导体高度 生产制造工艺的控制水平等因素有关 降低杂散损耗大致可采取如下措施 1 定子槽采用多槽数 节距采用 5 6 r 2 定 转子一次冲成 气隙不另外加工 3 减小定子 转子槽口宽度 4 铁心两端采用非导磁材料 5 调整电磁设计方案 选用合理槽形 槽配合和三圆 采用 正弦 绕组以削弱合成磁场中的高次谐波 削弱附加损耗和附加转矩 注 采用 正弦 绕组导致绕线 下线 接线工艺性极差 目前国内外高效电机多数不采用此技术 6 适当增大气隙 7 转子采用少槽 8 磁性槽楔或使用磁性槽泥 电机开槽会使气隙磁导不均匀 导致表面损耗及脉振损耗加大 采用磁 性槽楔或使用磁性槽泥相当于缩小槽口宽 削弱了齿槽效应 降低了定转子齿内的平均磁密 从而减少表 面损耗及脉振损耗 同时可降低励磁电流 减少铜耗 降低温升 9 增大铸铝转子导条与铁心间的表面接触电阻 可以采用如下几种措施 冲片氧化处理法 脱壳处理 法 转子表面烧焙法 碱洗法和转子槽绝缘处理等 国外一些生产厂家在铸铝前将转子浸入硼砂液中 在 槽内形成涂层 铸铝时形成稳定的绝缘层 提高了接触电阻 降低了杂散损耗 10 精确控制斜槽度 采用特殊斜槽 为了抑制因高次谐波磁场产生的附加转矩及噪声 笼型异步电动 机转子均采取斜槽措施 而采取斜槽会在转子导条与铁心之间产生横向电流 从而产生相应的损耗 斜槽 有两种形式 一种是常用的导条沿转子圆周扭斜一个电角度 另一种是 人字形斜槽 导条对称于铁心中 线沿圆周向同一方向扭斜一电角度 如德国西门子公司纽伦堡电机厂 1989 年投放市场的电机有 90 以上 的电机为 人字形斜槽 转子电机 见图 2 此主题相关图片如下 电学论 D V01119 N02 1 999 中对因斜槽而产生的横向电流及损耗作了理论分析 并通过实测电机转子的横向电阻来计算横向损耗 例如 电机参数 功率 3 7kW 电压 200V 频率 50Hz 极数 4p 转子横向电阻 Rq 19 3 m 未退火 54 0 m 退火 根据该电机的参数 计算了该电动机的横向电流损耗 其结果见表 2 此主题相关图片如下 3 结