关键词：高效；高压；异步电机；分析；设计
1分析电机的损耗构成
电机的五大损耗为：电机定子铜耗、转子铝耗、铁耗、杂耗、机械耗。本文以中型异步高压系列的电机为例进行分析。涵盖2-12极，220～2800kW的系列产品范围。以现有产品系列产品的设计数据为依据绘制出损耗分析图。图1为相同转速不同功率下电机损耗与额定功率比值的百分比曲线。
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图1
可以看出随着电机功率的增加电机的各项损耗均相应减小。其占比大小依次为电机定子铜耗、机械耗、铁耗、杂耗及转子铝耗。其中在小功率上电机的定子铜耗占比较大，解决铜耗能取得更为显著的效果。图2为相同电机功率下的不同转速时电机五大损耗的比例分布图。
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图2
由曲线可以看出在电机极数少损耗的占比大小依次为机械耗、铜耗、铁耗、杂耗、转子损耗。在电机极数较多时，其损耗的占比依次为铜耗、铁耗、杂耗、转子损耗、机械耗。
2 高效电机设计的基本方案
2.1 减小电机铜耗的措施
电机定子的铜耗计算公式为Pcu1=I2·R。可以看出电机定子的铜耗与电机的定子电流和绕组电阻有关。在设计时常用的方法一是增加电机的绕组截面积，降低定子绕组电密。由于绕组截面的增多将需要增加一定的定子铁心长或增大电机的冲片外径。方法二，增加绕组的匝数，以此提高电机的功率因数降低电机的励磁电流，从而降低定子电流来降低电机的定子铜耗。但此方法将会引起电机有较高的热负荷，需要对电机进行通风的强化。方法三，降低电机额定运行温升，电机工作温度为115℃与75℃时电机的绕组电阻比值为1.13。由此看出合理的电机温升及电机的通风冷却形式也将对电机的效率产生较大的影响。方法四，合理的绕组节距及合适的绕组端部间隙，以减少端部长度，降低绕组电阻，提高电机效率。
转子绕组的设计也可从上述方面考虑，同时可以考虑采用铜条转子，降低绕组材料的电阻率，从而达到降低损耗提高效率的目的。
2.2 降低电机铁耗的措施
根据上面分析可以看出电机铁耗在损耗中占较高的比例，尤其是在电机极数多转速低的电机上。在电机工作时发生铁损耗的原因有两种：（1）铁心产生的磁滞；（2）铁心产生的涡流。电机在正常运转的时候，磁通在转子上的变化不大，因此转子产生的铁心损耗可以不计。其铁耗表达式：
Pfe=KP1.0/50B2 (f/50) 1.3~1.5GFe
式中：.png)
P1.0/50—铁心材料在频率50Hz、磁密1T时的单位损耗；
1:B—铁心平均磁密；
f—磁通交变频率；
GFe—铁心重量；
K—修正系数。
在设计时一般采取的措施为采用磁导率高、铁耗低的优质硅钢片如W365。国内的硅钢片厂家已经专门为电机开发出了高磁导率硅钢片，且硅钢片的铁耗要比国标降低许多。国内目前在此类电机上多采用0.5mm厚的w470硅钢片，如采用0.35mm或更薄的硅钢片将会取得更好的效果。
合理的磁路设计，通过电机各部位的磁路磁密设计及磁压降计算，力求最佳的磁路参数。避免局部的温度过高造成铁耗迅速增大和励磁电流的增长，增加电机的损耗。
由于硅钢片的冲槽造成局部晶粒结构的变化引起局部损耗增大，根据测试数据冲口部位增加20%以上。通过铁芯回火的方式可以消除应力，恢复硅钢片的良好性能，起到降低铁耗的作用。根据电机的损耗组成的成分，本文对定子的材料更换成50W360-50低损耗硅钢片，代替了原来的50W470-50；并对机械损耗中风摩损耗的这一损耗进行了计算，并得出最优效率点。综合考虑到高压异步电机的各项参数，调整了设计，从而使得在低成本高效率的原则下，对高压异步电机进行了改良。
2.3 电机杂耗的控制措施
根据国家标准GB/T 1032，电机设计时或实验时杂耗可以采用推荐公式或查图表填写。在此建议进行电机杂耗的实测试验，在采用了相应的降低杂耗的措施后实际的杂耗值远小于推荐值。在设计中常采用的方法包括。合理的槽配合、适合磁导率磁性槽楔或槽泥、加大电机气隙，减少定转子之间的谐波感应、采用正弦波绕组，减小电机压圈厚度、增大电机绕组与金属结构件之间的距离等。
2.4 电机机械耗的控制措施
机械损耗在电机中占有较大的比重,是考虑在不增加成本的前提下提升电机效率的最佳方法之一,然而在机械损耗包括的轴承损耗和风摩损耗中，风摩损耗在其中占有很大的比重，轴承损耗可以忽略。因此，在此针对风摩损耗进行了重点的分析。风扇是通风的元件，是热影响电机温升的最关键因素。在此风扇和电机通风冷却结构统一分析。
第一，电机的冷却风量可以根据电机的需要散出的损耗功率和风路空气设计温升及空气的比热容进行确定。第二，确定电机的风路结构，确保冷却的风量能够合理的吹到设计的散热表面及合理的风速。目前采用的结构多为带径向通风道的双侧径向通风结构和单侧通风的混流式的通风结构。在结构设计时要使风路通畅，避免出现吹不到散热面和风阻过大的问题。绕组铁芯的温升计算确保电机温升符合要求。第三，对风路进行风阻计算。根据上述确定的通风结构，对电机通风孔尺寸、通风道数量、绕组端部尺寸及端部间隙等进行计算。第四，根据离心风扇的工作特性，效率特性选用后倾式风扇，并根据风量、风阻及风扇计算公式进行风扇的设计，确保采用最佳的风扇结构尺寸。上述四部具体算法可参看汽轮机温升计算、大电机通风计算、老版的电机设计及相关此类的流体书籍进行计算。
此样机采用了少量的增加电机绕组用铜量、铸铝结构转子、50W360-50硅钢片、磁性槽楔、单侧混合式通风、后倾风扇等措施。成本相对原始设计方案增加10%。综合本文可以看出对YKK355-630系列高效高压异步电机可以采用多种方法进行降耗设计，根据具体情况采用部分措施即可达到高效电机的要求。在设计高效电机时从成本及产品系列化的角度考虑，建议使用较常规使用的硅钢片提高一个等级，采用磁性槽楔和后倾式风扇及单侧混流通风的方式。在设计超高效一级能效电机时采用高磁导的硅钢片，正弦波绕组、铜条转子、及高效电机的通风散热方法。目前国内各厂家设计高效电机时使用的方法和侧重点不同，有些厂家采用增加用铜和提高硅钢片性能的方法是不可取的。
3 电机的高效再制造
3.1 高效再制造的定义与意义
电机高效再制造是将低效电机通过重新设计、更换零部件等方法，再制造成高效率电机或适用于特定负载和工况的系统节能电机（如变极多速电机、变频电机、永磁电机等）。
电机高效再制造是推广高效电机使用、推进电机系统节能工作的必然之举，其重要意义有：a)实现节能减排的重要手段；b)实现资源节约和循环经济的重要途径；c)走可持续发展道路的重要举措。
3.2 高效再制造的优势
3.2.1 节能效果更好
与高效电机一般3%左右的节能量相比，电机高效再制造因为结合了负载设备系统功率匹配（需进行电能平衡测试）和能效提升，因此一般可以获得5%以上的节能潜力，是一种系统节能方法。
3.2.2 成本更为低廉
与高效电机相比，电机高效再制造的成本低了20%以上，甚至比购买普通低效新电机还要便宜。
3.3 高效再制造产品
目前已经开发的电机高效再制造产品有：a)YE3系列高效率三相异步电动机（3 kW～315 kW、380 V、50 Hz），如图3所示；b)YSPE2水泵风机专用高效率三相异步电动机（1.5 kW～315 kW、380 V、50 Hz）；c)YX系列高效率高压三相异步电动机（355 kW～25 000 kW、6 kV或10 kV、50 Hz）；d)YDT系列变极双速高压三相异步电动机（355 kW～25 000 kW、6 kV或10 kV、50 Hz）。
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图3 超高效率三相异步电动机实物图及铭牌
3 结语
节能降耗已成为国际社会发展极为紧迫的任务，高效电机的研制与推广十分重要。异步电机在我国市场份额占比40%以上，但是高效异步电机的市场占有率较低，高效电机研究和制造生产对于实现节能减排具有重要的现实意义。
参考文献
[1]王爱华．世界主要国家的高效电机及其标准［J］．电机技术，2013，34(4):40-43．
[2]陈伟华，李秀英，姚鹏．电机及其系统节能技术发展综述［J］．电气技术，2008，9(2):13-22．
[3]傅丰礼．高效感应电机国际发展动态［J］．电机技术，2009，30(4):19-21．
论文作者:许红姗, 马文奇
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第19期
论文发表时间:2020/3/16
标签：电机论文; 高效论文; 绕组论文; 硅钢片论文; 定子论文; 转子论文; 方法论文; 《科学与技术》2019年第19期论文;