雙層同心不等匝低諧波繞組節(jié)能電機(jī)設(shè)計(jì)方法的研究

　　曾群

　　摘 要： 在分析影響電機(jī)效率的五大損耗的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同損耗的特點(diǎn)提出了不同的解決措施，并通過(guò)針對(duì)性的試驗(yàn)驗(yàn)證了各種措施的有效性。綜合比較后指出雙層同心不等匝低諧波繞組在減少損耗的效果、 節(jié)約成本及工藝可實(shí)現(xiàn)性等方面具有很大優(yōu)勢(shì)， 用于高效電機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)具有很好的推廣前景。

　　關(guān)鍵詞：高效電機(jī); 損耗; 低諧波繞組。

　　0 引言

　　由于電機(jī)系統(tǒng)耗電在世界各國(guó)均占有相當(dāng)大的比重，隨著能源形勢(shì)的日益緊張，世界各國(guó)均開(kāi)展了電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工作。我國(guó)電機(jī)保有量17 億千瓦，消耗社會(huì)用電量的60% ～ 70% ，國(guó)家在十二五規(guī)劃中，對(duì)節(jié)能減排目標(biāo)提出了具體要求。本文對(duì)影響電機(jī)效率的五大損耗進(jìn)行了系統(tǒng)分析，針對(duì)不同損耗的特點(diǎn)提出了具體的措施來(lái)提高電機(jī)的效率，并進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究，總結(jié)出了開(kāi)發(fā)高效電機(jī)的方法。

　　1 高效電機(jī)性能分析

　　1. 1 減小電機(jī)損耗的措施與方法

　　( 1) 減小電機(jī)銅耗的措施。

　　定子側(cè)銅耗與定子電流和繞組的電阻有關(guān)，常用的方法就是增加繞組截面積以減小繞線電阻，減小電密，這種方法要受到槽滿率等多方面的制衡。所以進(jìn)行高效節(jié)能電機(jī)研制時(shí)， 部分規(guī)格放大了沖片外徑， 目的就是增加槽面積可以放下更多的銅線。另外， 還可通過(guò)改進(jìn)繞組的端部設(shè)計(jì)，減小端部的長(zhǎng)度來(lái)減小整個(gè)繞組的電阻。目前大部分電機(jī)都是鑄鋁轉(zhuǎn)子。銅的電導(dǎo)率要比鋁高，鑄銅轉(zhuǎn)子的電機(jī)理論上轉(zhuǎn)子損耗可以下降 38% 。采用鑄銅轉(zhuǎn)子的電機(jī)可以極大地提高電機(jī)效率。

　　( 2) 減小鐵耗的措施

　　減小鐵耗最常用的辦法就是采用磁導(dǎo)率高、損耗低的優(yōu)質(zhì)硅鋼片。另外， 硅鋼片的厚度是影響電機(jī)鐵耗的重要因素之一， 國(guó)內(nèi)主流的硅鋼片都是 0. 5 mm 厚， 而 國(guó) 外 的 產(chǎn) 品 很 多 開(kāi) 始 采 用0. 35mm甚至 0. 27mm 厚的硅鋼片。隨著硅鋼片厚度的減小，磁性能也有提升。減小電機(jī)的鐵耗除了合理設(shè)計(jì)電機(jī)的磁路外，還要考慮電機(jī)鐵心制造工藝的影響。一般硅鋼片加工成鐵心壓入機(jī)座后鐵耗大幅度增加， 目前常用的沖片退火工藝是在沖片沖剪之后進(jìn)行退火處理， 以消除應(yīng)力， 恢復(fù)冷軋硅鋼片的良好性能，對(duì)降低鐵耗起到了很好的作用。

　　1. 2 低諧波繞組技術(shù)的研究

　　定子繞組的形式?jīng)Q定了繞組的基波分布系數(shù)和諧波含量， 對(duì)電機(jī)性能有較大影響 。經(jīng)常采用的定子繞組形式有單層繞組和雙層繞組， 其中雙層繞組可以采用長(zhǎng)、 短距等措施來(lái)減小諧波含量。而 低 諧 波 繞 組 可 以 采 用 不 等 繞 組 匝 數(shù)、“△-Y” 串聯(lián)等方式來(lái)產(chǎn)生接近正弦的氣隙磁通。對(duì)于高效電機(jī)， 有必要采用低諧波繞組來(lái)改善電機(jī)的磁勢(shì)波形，從而降低電機(jī)雜散損耗。

　　當(dāng) A 相電流達(dá)到最大時(shí)， 基波磁勢(shì)幅值將與A 相繞組的軸線重合。假設(shè)某時(shí)刻 A 相電流達(dá)到最大，即 iA = Im，此時(shí) iB = iC = - 0. 5Im�；�波磁勢(shì)波形和電流安匝波形的空間分布如圖 1所示。

　　基波磁勢(shì)幅值在 A 相軸線即 5 槽和 14 槽中線上; 而電流安匝的幅值在 18 槽-1 槽的中線上。這樣，根據(jù)各槽電流安匝與圖中余弦安匝波一一對(duì)應(yīng)。解這個(gè)方程組， 就可以得到各個(gè)線圈的匝數(shù)比。據(jù)此，我們編制了基于雙層同心不等匝繞組的電機(jī)設(shè)計(jì)軟件， 專門用于低諧波繞組電機(jī)的設(shè)計(jì)。

　　2 高效電機(jī)設(shè)計(jì)效果的驗(yàn)證

　　2. 1 增加有效材料提高電機(jī)效率增加有效材料有兩個(gè)方面: 一是增加電機(jī)銅、

　　鋁的用量以減小定、 轉(zhuǎn)子電阻; 二是采用更高性能材料，如采用高性能硅鋼片以減小鐵耗，采用鑄銅轉(zhuǎn)子以減小轉(zhuǎn)子銅耗等。表 1 是 4 臺(tái)分別滿足3 級(jí)能效和 2 級(jí)能效的 45kW-2 電機(jī)的損耗及有效材料使用情況。從表 1 中數(shù)據(jù)可以看出，效率的提升主要源于定、 轉(zhuǎn)子側(cè)銅耗及鐵耗的減少， 其中定子側(cè)銅耗、 轉(zhuǎn)子側(cè)銅耗和鐵耗平均減少了 20% ～30%。結(jié)合表 1 數(shù)據(jù)和這幾臺(tái)電機(jī)的設(shè)計(jì)制造過(guò)程總結(jié)出提高電機(jī)效率的主要采取以下措施。

　　( 1) 增加鐵心長(zhǎng)度，增加繞組截面積

　　45kW 電機(jī) 3 級(jí)能效到 2 級(jí)能效鐵心長(zhǎng)從200mm 增加到 230mm，長(zhǎng)度增加了 15% 。在滿足同樣磁負(fù)荷的情況下， 鐵心長(zhǎng)度的增加可以減少電機(jī)的匝數(shù)，從而可以增加單匝線圈的截面積， 減少了定子電阻。

　　( 2) 采用更高性能硅鋼片

　　采用了單位鐵損更低、 性能更好的硅鋼片， 在鐵心長(zhǎng)度增加的情況下，總的鐵耗卻減少了。

　　( 3) 擴(kuò)大槽型尺寸，增加銅線和鑄鋁的用量。2 級(jí)能效比 3 級(jí)能效用銅量增加了 22. 4% ，用鋁量增加了 6. 9% ， 這直接導(dǎo)致了定、 轉(zhuǎn)子電阻的降低

　　2. 2 改進(jìn)工藝提高電機(jī)效率

　　對(duì)沖出電機(jī)氣隙工藝制作了樣機(jī)， 并與普通電機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比， 對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表 2。表 2 中的 4 臺(tái) 22kW-4 樣機(jī)是按照 2 級(jí) 能 效 ( 即 IE3，93% ) 進(jìn)行的設(shè)計(jì)， 其中 1 號(hào)、 2 號(hào)樣機(jī)采用的是沖出氣隙， 3 號(hào)、 4 號(hào)樣機(jī)采用的車削氣隙。從表 2中可以看出，1 號(hào)、 2 號(hào)樣機(jī)的雜散損耗大大低于 3 號(hào)、 4 號(hào)樣機(jī)的雜散損耗， 平均低 30% 左右，說(shuō)明直接沖出氣隙的方法對(duì)減少雜散損耗效果明顯。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　采用單一的手段可能使某幾個(gè)規(guī)格電機(jī)的效率提高一個(gè)效率等級(jí)， 但卻很難將整個(gè)系列提高一個(gè)效率等級(jí)。因此高效電機(jī)的開(kāi)發(fā)一定是多種手段并用，從設(shè)計(jì)、 材料、 結(jié)構(gòu)等多方面入手， 進(jìn)行全面的優(yōu)化，這樣才能使得各種措施的有效性發(fā)揮到 。以此為指導(dǎo)， 我們逐步開(kāi)發(fā)出了滿足2 級(jí)能效和 1 級(jí)能效的高效節(jié)能電機(jī)， 為國(guó)家的節(jié)能減排做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

   投稿郵箱：chuanbeiol@163.com   詳情請(qǐng)?jiān)L問(wèn)川北在線：http://www.dstuf.com/