雙層同心不等匝低諧波繞組節(jié)能電機設(shè)計方法的研究
曾群
摘 要： 在分析影響電機效率的五大損耗的基礎(chǔ)上，針對不同損耗的特點提出了不同的解決措施，并通過針對性的試驗驗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)約成本及工藝可實現(xiàn)性等方面具有很大優(yōu)勢， 用于高效電機的設(shè)計生產(chǎn)具有很好的推廣前景。
關(guān)鍵詞：高效電機; 損耗; 低諧波繞組。
0 引言
由于電機系統(tǒng)耗電在世界各國均占有相當(dāng)大的比重，隨著能源形勢的日益緊張，世界各國均開展了電機系統(tǒng)節(jié)能工作。我國電機保有量17 億千瓦，消耗社會用電量的60% ～ 70% ，國家在十二五規(guī)劃中，對節(jié)能減排目標(biāo)提出了具體要求。本文對影響電機效率的五大損耗進行了系統(tǒng)分析，針對不同損耗的特點提出了具體的措施來提高電機的效率，并進行了相關(guān)的試驗研究，總結(jié)出了開發(fā)高效電機的方法。
1 高效電機性能分析
1. 1 減小電機損耗的措施與方法
( 1) 減小電機銅耗的措施。
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。所以進行高效節(jié)能電機研制時， 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， 還可通過改進繞組的端部設(shè)計，減小端部的長度來減小整個繞組的電阻。目前大部分電機都是鑄鋁轉(zhuǎn)子。銅的電導(dǎo)率要比鋁高，鑄銅轉(zhuǎn)子的電機理論上轉(zhuǎn)子損耗可以下降 38% 。采用鑄銅轉(zhuǎn)子的電機可以極大地提高電機效率。
( 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鐵耗的重要因素之一， 國內(nèi)主流的硅鋼片都是 0. 5 mm 厚， 而 國 外 的 產(chǎn) 品 很 多 開 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。減小電機的鐵耗除了合理設(shè)計電機的磁路外，還要考慮電機鐵心制造工藝的影響。一般硅鋼片加工成鐵心壓入機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， 對電機性能有較大影響 。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、 短距等措施來減小諧波含量。而 低 諧 波 繞 組 可 以 采 用 不 等 繞 組 匝 數(shù)、“△-Y” 串聯(lián)等方式來產(chǎn)生接近正弦的氣隙磁通。對于高效電機， 有必要采用低諧波繞組來改善電機的磁勢波形，從而降低電機雜散損耗。
當(dāng) A 相電流達到最大時， 基波磁勢幅值將與A 相繞組的軸線重合。假設(shè)某時刻 A 相電流達到最大，即 iA = Im，此時 iB = iC = - 0. 5Im�；ù艅莶ㄐ魏碗娏靼苍巡ㄐ蔚目臻g分布如圖 1所示。
基波磁勢幅值在 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應(yīng)。解這個方程組， 就可以得到各個線圈的匝數(shù)比。據(jù)此，我們編制了基于雙層同心不等匝繞組的電機設(shè)計軟件， 專門用于低諧波繞組電機的設(shè)計。
2 高效電機設(shè)計效果的驗證
2. 1 增加有效材料提高電機效率增加有效材料有兩個方面: 一是增加電機銅、
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 臺分別滿足3 級能效和 2 級能效的 45kW-2 電機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)和這幾臺電機的設(shè)計制造過程總結(jié)出提高電機效率的主要采取以下措施。
( 1) 增加鐵心長度，增加繞組截面積
45kW 電機 3 級能效到 2 級能效鐵心長從200mm 增加到 230mm，長度增加了 15% 。在滿足同樣磁負(fù)荷的情況下， 鐵心長度的增加可以減少電機的匝數(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， 在鐵心長度增加的情況下，總的鐵耗卻減少了。
( 3) 擴大槽型尺寸，增加銅線和鑄鋁的用量。2 級能效比 3 級能效用銅量增加了 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 改進工藝提高電機效率
對沖出電機氣隙工藝制作了樣機， 并與普通電機進行了試驗對比， 對比結(jié)果見表 2。表 2 中的 4 臺 22kW-4 樣機是按照 2 級 能 效 ( 即 IE3，93% ) 進行的設(shè)計， 其中 1 號、 2 號樣機采用的是沖出氣隙， 3 號、 4 號樣機采用的車削氣隙。從表 2中可以看出，1 號、 2 號樣機的雜散損耗大大低于 3 號、 4 號樣機的雜散損耗， 平均低 30% 左右，說明直接沖出氣隙的方法對減少雜散損耗效果明顯。
3 結(jié)語
采用單一的手段可能使某幾個規(guī)格電機的效率提高一個效率等級， 但卻很難將整個系列提高一個效率等級。因此高效電機的開發(fā)一定是多種手段并用，從設(shè)計、 材料、 結(jié)構(gòu)等多方面入手， 進行全面的優(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)， 我們逐步開發(fā)出了滿足2 級能效和 1 級能效的高效節(jié)能電機， 為國家的節(jié)能減排做出了應(yīng)有的貢獻。
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