高效電機(jī)效率提高及效率檢測技術(shù)分析

朱雨華

上海寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，全世界對能源需求的不斷提高，能源短缺問題已變得日益突出。如何采取有效措施降低能源消耗和提高能源使用效率已成為目前國際社會(huì)發(fā)展所面臨的一項(xiàng)極為緊迫的任務(wù)。據(jù)可靠數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010 年我國全社會(huì)耗電量已達(dá)到4.19 萬億千瓦時(shí)，其中工業(yè)耗電量占總耗電量的70%，而電機(jī)系統(tǒng)的耗電量則又占工業(yè)總耗電量的60%～70%。我國電機(jī)多為普通效率電機(jī)，其平均效率為87%，而發(fā)達(dá)國家早已推行的高效電機(jī)效率已達(dá)到91%以上，美國的超高效電機(jī)效率更是達(dá)到93%，比我國高3%～5%。系統(tǒng)運(yùn)行效率，比我國高25%～30%。電機(jī)及系統(tǒng)節(jié)能空間巨大，是單位GDP 能耗降低20%的重要手段，低碳經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。因此進(jìn)一步加大高效節(jié)能電機(jī)的研制和推廣力度，在整個(gè)節(jié)能降耗工作中具有相當(dāng)重要的意義。

1 高效電機(jī)的特點(diǎn)

高效（IE2）籠型感應(yīng)電機(jī)與普效(IE1)電機(jī)相比有如下特點(diǎn)[1]：

1）效率高，IE2 比IE1 平均高3%，IE3 比IE1 平均高近5%左右；

2）需要使用更多高質(zhì)量的材料。IE2 比IE1 電機(jī)成本高25%～30%，IE3 比IE1 電機(jī)成本高40%～60%左右；

3）優(yōu)于運(yùn)行溫度較低，電機(jī)壽命更長，可降低維護(hù)成本；

4）典型設(shè)計(jì)情況下起動(dòng)電流較大些；

5）轉(zhuǎn)子慣量較大；

6）額定負(fù)載下轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)差率較小。

高效電機(jī)壽命周期成本比普通的低效率電機(jī)低，維護(hù)費(fèi)用一般也低于低效電機(jī)，從整個(gè)工作生命周期內(nèi)實(shí)際節(jié)約的能耗成本要比采購成本高許多，因此包括我國在內(nèi)，世界上許多國家都越來越重視高效率電機(jī)的研發(fā)及使用推廣。

2 提高電機(jī)效率的方法

提高電機(jī)效率的關(guān)鍵技術(shù)就是如何大幅度降低電機(jī)各項(xiàng)損耗(鐵耗、銅耗、風(fēng)摩損耗和雜散損耗等)，這就要求對電機(jī)各類損耗產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行極其深入細(xì)致的研究，充分挖掘降低各類損耗的潛力。因此，電機(jī)效率的提高已不僅僅局限于電磁設(shè)計(jì)，而是需要結(jié)合傳統(tǒng)的電機(jī)設(shè)計(jì)模型建立更為精確的數(shù)學(xué)物理仿真模型，并綜合考慮工藝，材料，加工精度，結(jié)構(gòu)，性價(jià)比等各種因素進(jìn)行研究，進(jìn)而提出解決降低電機(jī)各種損耗的關(guān)鍵工藝和設(shè)計(jì)技術(shù)。

基于以上觀點(diǎn)，可將開展超高效電機(jī)研制工作中需要面臨的關(guān)鍵技術(shù)簡要概括為以下幾方面。

2.1 合理的電機(jī)設(shè)計(jì)

1）鐵芯尺寸

通過適當(dāng)加長鐵芯來降低磁密可降低鐵耗，但材料成本會(huì)有所提高，因此具體尺寸設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮。

2）槽形

減小槽口寬可以降低定轉(zhuǎn)子齒部平均磁密，降低勵(lì)磁電流以減小雜散耗；控制斜槽度，則可大大削弱高次諧波磁場產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩和齒諧波，也能一定程度上降低雜散耗。

3）槽配合

槽配合對電機(jī)性能有很大影響。采用近槽配合能降低雜散損耗，效率、功率因素和啟動(dòng)性能都能得到很好的提高。

4）繞組型式

“正弦”繞組采用不同的繞組匝數(shù)和結(jié)構(gòu)形式，使用“正弦”繞組可以有效削弱合成磁場中的高次諧波，削弱雜散附加損耗。

5）氣隙

適當(dāng)增大氣隙可一定程度上降低電機(jī)雜散耗，提高效率。

表1 氣隙調(diào)整前后電機(jī)雜耗變化

6）風(fēng)扇結(jié)構(gòu)

在保證電機(jī)溫升的前提下可以通過減少葉片外徑、增大葉片寬度、增加葉片數(shù)量，使用后傾式風(fēng)扇等手段可有效降低風(fēng)摩耗。如2 極電機(jī)采用不可逆的后傾式風(fēng)扇，可使風(fēng)量不變，風(fēng)摩耗降低20%[2]。

7）使用磁性槽楔

電機(jī)開槽后會(huì)使氣隙磁導(dǎo)變得不均勻，表面損耗增大，如果采用磁性槽楔相當(dāng)于縮小了槽口尺寸，可以有效減弱齒槽效應(yīng)，從而降低表面損耗和銅耗。

2.2 合適的選材

1）電工鋼

高導(dǎo)磁率、低鐵損的高效硅鋼可以有效降低激磁電流，使定子銅耗變小；使用薄硅鋼片，可以減少電機(jī)渦流損耗，從而減少鐵損耗，提高電機(jī)效率。

表2 不同牌號(hào)試制高效電機(jī)效率值

2）銅線

選用低電阻率銅線可以最大程度降低定子銅耗，提高電機(jī)效率。

3）轉(zhuǎn)子

使用純度較高的鑄鋁轉(zhuǎn)子可有效降低轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電阻率。在小功率電機(jī)中如果直接采用鑄銅轉(zhuǎn)子可有效降低電阻率，進(jìn)而可以大大降低轉(zhuǎn)子銅耗。

4）其他配件

選用優(yōu)質(zhì)低摩擦軸承、高質(zhì)量球軸承， 減少摩擦和振動(dòng)、摩擦阻力小的密封圈和潤滑脂。

2.3 優(yōu)良的加工和裝配工藝

1）定轉(zhuǎn)子加工

沖床沖剪方式加工的片子邊緣因發(fā)生彈性變形而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致硅鋼片磁性能降低，進(jìn)而使定子銅耗增加。如果對沖剪成的定轉(zhuǎn)子進(jìn)行去應(yīng)力退火可有效降低硅鋼片鐵損并提高硅鋼片導(dǎo)磁性能。另外，如果使用高速?zèng)_床或是使用線切割、激光切割方式將有效減少和避免鐵芯加工過程中應(yīng)力產(chǎn)生導(dǎo)致的電機(jī)銅耗增加。沖片不良易導(dǎo)致硅鋼片毛刺過大，疊壓系數(shù)降低，定子齒、軛部的截面積減小，磁通密度增大，導(dǎo)致激磁電流增大，功率因素降低，造成定子銅耗增大，電機(jī)效率降低，如果使用線切割或激光切割方式將有效消除毛刺引起的銅耗，使電機(jī)效率得以提高。

2）轉(zhuǎn)子表面處理

通過氧化處理、脫殼處理、轉(zhuǎn)子表面焙燒、堿洗等方法可有效增加鑄鋁導(dǎo)條與鐵芯間的接觸電阻，能有效降低雜散損耗。

3）轉(zhuǎn)子的平衡控制

轉(zhuǎn)子的平衡分靜平衡和動(dòng)平衡兩種，良好的平衡性能是降低機(jī)械耗的有效辦法。

4）裝配偏心控制

采用熱套工藝減小壓定子產(chǎn)生的機(jī)殼變形和裝配偏心；使用硬度較高的合金端蓋，盡可能減少偏心，可有效減小偏心照成的機(jī)械耗增大。

5）轉(zhuǎn)子軸向間隙的消除

使用波形彈簧墊圈或三點(diǎn)式彈性墊圈可有效減小因軸向間隙引起的機(jī)械耗。

6）零部件尺寸精度控制

軸承與軸承室選用合理的公差配合，盡量采取中間公差，保證零部件在運(yùn)輸和裝配過程中不發(fā)生變形，將有效降低電機(jī)機(jī)械耗。

3 效率檢測方法

隨著各國對高效電機(jī)研發(fā)重視程度的日益提高，選擇何種效率試驗(yàn)方法成為高效電機(jī)研制和推廣的一項(xiàng)關(guān)鍵問題。國際上當(dāng)前采用的電動(dòng)機(jī)效率測試標(biāo)準(zhǔn)差異不大，影響最終效率測試結(jié)果的最大的差別在于雜散損耗的測定。國際電工委員會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)IEC60034-2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定負(fù)載雜散損耗為輸入功率的0.5%，日本JEC37 標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定負(fù)載雜散損耗為0。美國電氣制造者協(xié)會(huì)(NEMA)制定的IEEE112-B 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定負(fù)載雜散損耗采用輸入輸出法測定。近年來，相關(guān)研究人員對幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)做了大量實(shí)驗(yàn)比對工作，通過對研究結(jié)果的分析，得出結(jié)論是JEC37 標(biāo)準(zhǔn)檢測的效率最高，IEC60034-2 標(biāo)準(zhǔn)所測效率則比IEEE112-B 標(biāo)準(zhǔn)所測效率要高。表3 和表4 的數(shù)據(jù)可明顯看出標(biāo)準(zhǔn)間的差異[3]。

表3 三種標(biāo)準(zhǔn)的效率測試數(shù)據(jù)（%）

表4 兩種標(biāo)準(zhǔn)下不同頻率電機(jī)效率測試值（%）

我國目前的電機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)基本參考了美國和歐盟的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在高效電機(jī)的檢測中建議采用低不確定度的IEEE112-B法作為高效電機(jī)的檢測方法，能夠得到比較符合實(shí)際的電機(jī)效率，對電機(jī)效率的提高具有更為可靠的指導(dǎo)意義。該方法能夠比較精確地判斷電機(jī)運(yùn)行狀況，相關(guān)方法已寫入國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1032-2005《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》。

4 結(jié)論

雖然提高電機(jī)效率的方法很多，而且未來隨著極低鐵損和超高磁感硅鋼片、低溫超導(dǎo)材料，稀土永磁等先進(jìn)材料的應(yīng)用必將使高效超高效電機(jī)的制造變得更加容易。但只有在使用合適的效率檢測方法獲得可靠的損耗值的基礎(chǔ)上，通過損耗改進(jìn)方法的合理運(yùn)用才能制造出低成本的高效和超高效電機(jī)。

[1]陳偉華，李秀英，姚鵬.電機(jī)及其系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)發(fā)展綜述[J].電氣技術(shù)，2008(9)：13-22.

[2]賀勝強(qiáng).淺談提高小型電機(jī)效率的方法[J].電機(jī)技術(shù)，2011(1)：11-13.

[3]胡浩，楊斌文.電動(dòng)機(jī)IEEE112-B標(biāo)準(zhǔn)效率測試方法及其分析比較[J].電氣工程，2009(6)：46-48.