工業(yè)用小型超高效異步電動(dòng)機(jī)能效設(shè)計(jì)

鄒雁芝， 李全峰， 黃厚佳， 范 輝

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院,上海 201306)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家提出了“節(jié)能減排”的重大決策。在中國整個(gè)工業(yè)電耗中，電動(dòng)機(jī)的耗電量占60%以上，其中小型三相異步電動(dòng)機(jī)耗電約占35%，因此，提高中小型異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率對(duì)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)行業(yè)的節(jié)能減排尤為重要。近年來，大量中外學(xué)者從電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和材料上研究電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率的優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中在電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，有著許多相關(guān)文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[1-2]采用了低諧波繞組進(jìn)行電動(dòng)機(jī)繞組優(yōu)化。文獻(xiàn)[3]討論了異步電動(dòng)機(jī)的繞組線徑和氣隙大小對(duì)電動(dòng)機(jī)效率的影響，但并未深入討論繞組線徑和氣隙大小的綜合影響。文獻(xiàn)[4-6]研究定子槽對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率的影響，通過改進(jìn)定子槽形尺寸從而有效降低了電動(dòng)機(jī)的損耗。文獻(xiàn)[7-10]分析轉(zhuǎn)子斜槽可降低電動(dòng)機(jī)雜散損耗，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率的優(yōu)化。文獻(xiàn)[11]則是通過調(diào)整電動(dòng)機(jī)的線徑、鐵芯長(zhǎng)度和每槽導(dǎo)體數(shù)來降低電動(dòng)機(jī)的損耗，提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。

在電動(dòng)機(jī)材料優(yōu)化上的相關(guān)研究文獻(xiàn)較少，文獻(xiàn)[12-14]利用鑄銅轉(zhuǎn)子更好的導(dǎo)電性使電動(dòng)機(jī)的總損耗顯著下降，從而提高電動(dòng)機(jī)效率。文獻(xiàn)[15]則是采用新型硅鋼片降低電動(dòng)機(jī)鐵耗，提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率。

綜上所述，現(xiàn)有的諸多文獻(xiàn)中都有從電動(dòng)機(jī)的某一個(gè)參數(shù)，如定子槽型、定子繞組形式或轉(zhuǎn)子材料等入手，探究異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率的優(yōu)化方案。本文首先從理論上分析電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)(如氣隙長(zhǎng)度等)和電動(dòng)機(jī)材料(如鑄銅轉(zhuǎn)子等)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)效率的影響，探討電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率的優(yōu)化方案。并以一臺(tái)1.1 kW的超高效異步電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行有限元仿真，驗(yàn)證理論分析正確性。然后整合電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)化舉措，得到一系列電動(dòng)機(jī)綜合優(yōu)化方案。在綜合考慮電動(dòng)機(jī)電磁、結(jié)構(gòu)和成本等因素后，確定了電動(dòng)機(jī)最終優(yōu)化方案，最終通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。

原有1.1 kW電動(dòng)機(jī)為上海電機(jī)學(xué)院研發(fā)的工業(yè)用小型異步電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行效率為86.4%，功率因數(shù)為0.76。由于其具有高效性，故可廣泛應(yīng)用于紡織業(yè)。其基本參數(shù)如表1所示。

表1 電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

1 電動(dòng)機(jī)優(yōu)化理論分析

電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率η可由電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)輸入功率pN1和總損耗Σp表示為

(1)

由式(1)可知降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行損耗可提高電動(dòng)機(jī)效率。

1.1 降耗措施

1.1.1 基本鐵耗 基本鐵耗是定轉(zhuǎn)子的鐵芯損耗，其表達(dá)式為

PFe=KαPheGFe

(2)

式中：GFe為鐵耗的磁材料重量;Kα為經(jīng)驗(yàn)系數(shù);Phe為單位鐵磁物質(zhì)的損耗系數(shù)。故可嘗試采用較高磁導(dǎo)率的冷軋硅鋼降低鐵耗。

1.1.2 電氣損耗 電氣損耗主要是指由工作電流在繞組中產(chǎn)生的損耗。

計(jì)算表式為

(3)

式中：Ix為繞組x中的電流；Rx為換算到基準(zhǔn)工作溫度的繞組x的電阻?？蛇x擇增加導(dǎo)線的線徑，減小繞組電阻等方法降低定子繞組銅耗。

1.2.3 雜散損耗 雜散損耗產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜[16]，在中小型電動(dòng)機(jī)里，一般規(guī)定，負(fù)載時(shí)的雜散損耗占電動(dòng)機(jī)輸入功率的0.5%。設(shè)計(jì)優(yōu)化方案時(shí)可嘗試采用諧波含量較少的各種定子繞組型式，如以單雙層繞組代替單層繞組。

2 有限元仿真分析

2.1 氣隙大小對(duì)電動(dòng)機(jī)效率的影響

通常，異步電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度的取值應(yīng)該盡可能小，以增大電動(dòng)機(jī)效率,但若氣隙長(zhǎng)度取值過小也會(huì)使氣隙磁場(chǎng)的諧波含量增加，導(dǎo)致諧波轉(zhuǎn)矩增加進(jìn)而造成較大溫升和噪聲[17]。因此，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)優(yōu)化需選取適當(dāng)?shù)臍庀堕L(zhǎng)度。

2.1.1 模型仿真 在原1.1 kW電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，在Maxwell 2D中分別建立氣隙長(zhǎng)度為0.1,0.15,0.2和0.25 mm有限元模型，求解其氣隙磁密同時(shí)進(jìn)行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation, FFT)，并計(jì)算出波形畸變率。

2.1.2 分析結(jié)果 改變氣隙大小，以整個(gè)圓周為氣隙磁場(chǎng)的基準(zhǔn)波長(zhǎng)，當(dāng)氣隙為不同值時(shí)的基波和各次諧波幅值大小如圖1所示，其諧波畸變率如表2所示。

圖1 不同氣隙長(zhǎng)度時(shí)氣隙磁密FFT分析

氣隙長(zhǎng)度/mm諧波畸變率/%0.1025.530.1521.070.2018.640.2516.170.3012.41

由圖1和表2可知，電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度減小會(huì)增大基波幅值，提高電動(dòng)機(jī)效率，與此同時(shí)諧波含量增加導(dǎo)致諧波畸變率增大。中小型異步電動(dòng)機(jī)氣隙一般為0.2～1.5 mm，在考慮電動(dòng)機(jī)效率、諧波畸變率和電動(dòng)機(jī)制造工藝后，選擇將原電動(dòng)機(jī)氣隙長(zhǎng)度降為0.2 mm。

2.2 槽型對(duì)電動(dòng)機(jī)效率的影響

2.2.1 模型仿真

(1) 定子槽型。原電動(dòng)機(jī)定子槽為梨形槽，如圖2所示。采用梨形槽可以減少鐵芯表面損耗和齒內(nèi)脈振損耗，改善功率因數(shù)[12]。改進(jìn)時(shí)對(duì)原定子槽的槽口寬和槽高的尺寸進(jìn)行了調(diào)整，如表3所示。Bs0為定子槽口寬度，Bs1為定子槽肩處槽寬，Bs2為定子槽底處槽寬，Hs0為定子槽口高，Hs1為定子槽斜肩高，Hs2為定子齒高。

圖2 梨形定子槽

mm

(2) 轉(zhuǎn)子槽型。原電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是平行齒的槽型，如圖3所示。凹型槽的集膚作用顯著，能改善起動(dòng)性能。故將原電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子改為凹型轉(zhuǎn)子槽,其尺寸如圖4所示。

圖3 平行齒槽型尺寸圖4 凹型槽尺寸

2.2.2 分析結(jié)果

(1) 梨型定子槽。改變定子槽形后，為準(zhǔn)確分析改進(jìn)前、后電動(dòng)機(jī)電磁性能變化，使用RMxprt模塊求解后分析結(jié)果如表4所示。由求解結(jié)果可知定子槽改進(jìn)后，降低了電動(dòng)機(jī)定子銅耗，電動(dòng)機(jī)效率提升86.637 8%，功率因數(shù)提高0.12%。

表4 梨形定子槽型分析結(jié)果

(2) 凹型轉(zhuǎn)子槽。凹型轉(zhuǎn)子槽分析結(jié)果如表5所示。采用凹型轉(zhuǎn)子槽后，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的定、轉(zhuǎn)子銅耗降低，效率提高86.54%。但這種優(yōu)化方案降低了電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，不利于提高電動(dòng)機(jī)對(duì)于電能的利用率。

表5 凹型轉(zhuǎn)子槽分析結(jié)果

2.3 繞組形式對(duì)電動(dòng)機(jī)效率的影響

與單層定子繞組相比，單雙層定子繞組具有較好的氣隙磁場(chǎng)波形，較好的起動(dòng)性能和較低的附加損耗等優(yōu)點(diǎn)[17]。現(xiàn)將原電動(dòng)機(jī)的單層定子繞組改為單雙層定子繞組。

2.3.1 模型仿真 原電動(dòng)機(jī)定子繞組為單層同心式繞組，如圖5所示；改進(jìn)后的單雙層同心式定子繞組，如圖6所示。

圖5 單層同心式定子繞組圖6 單雙層同心式定子繞組

2.3.2 分析結(jié)果 定子繞組的有限元分析結(jié)果如表6所示。定子繞組采用單雙層同心式后電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率增加0.1%左右，同時(shí)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)也下降了0.012 2。

表6 定子繞組分析結(jié)果

由于氣隙長(zhǎng)度、定轉(zhuǎn)子槽型和繞組形式等參數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)能效的影響是相互的，故在后續(xù)的綜合優(yōu)化模型中對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化分析。

2.4 材料對(duì)電動(dòng)機(jī)效率的影響

2.4.1 籠型轉(zhuǎn)子材料分析 原電動(dòng)機(jī)籠型轉(zhuǎn)子采用的是鑄鋁轉(zhuǎn)子，考慮到銅相比于鋁有著更低的電阻率和更好的導(dǎo)電性，可降低損耗，故使用鑄銅轉(zhuǎn)子代替原電動(dòng)機(jī)的鑄鋁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。有限元仿真分析后得到電動(dòng)機(jī)能效如表7所示。通過對(duì)比可以看出，使用鑄銅轉(zhuǎn)子后轉(zhuǎn)子銅耗下降顯著，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率提高。而實(shí)際電動(dòng)機(jī)制造時(shí)需考慮采用鑄銅轉(zhuǎn)子后引起的電動(dòng)機(jī)制造成本的增加。

表7 不同材料籠型轉(zhuǎn)子分析結(jié)果

2.4.2 定轉(zhuǎn)子鐵芯硅鋼片分析 由前面對(duì)電動(dòng)機(jī)鐵耗的理論分析可知，采用較高磁導(dǎo)率的硅鋼片有利于降低電動(dòng)機(jī)鐵耗，提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率。現(xiàn)將原電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵芯中產(chǎn)自上海寶鋼的硅鋼片，替換為產(chǎn)自臺(tái)灣中鋼(牌號(hào)為52CS470)的硅鋼片。改進(jìn)后的電動(dòng)機(jī)有限元能效分析如表8所示。

表8 不同硅鋼片時(shí)電動(dòng)機(jī)能效對(duì)比

采用新型硅鋼片后電動(dòng)機(jī)鐵耗明顯下降，但由于原1.1 kW電動(dòng)機(jī)總損耗中鐵耗所占比例很小，故電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率只提升了0.3%左右。

3 電動(dòng)機(jī)優(yōu)化綜合模型

3.1 電動(dòng)機(jī)綜合優(yōu)化方案

結(jié)合在電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和材料上分別提出的各項(xiàng)優(yōu)化方案，可得到下列4項(xiàng)電動(dòng)機(jī)綜合優(yōu)化方案。

(1) 結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化。整合前述在電動(dòng)機(jī)氣隙、定轉(zhuǎn)子槽型和定子繞組上的各類優(yōu)化，可得到的電動(dòng)機(jī)綜合優(yōu)化方案。

(2) 結(jié)構(gòu)和鐵芯硅鋼片的優(yōu)化。考慮到采用鑄銅轉(zhuǎn)子后，電動(dòng)機(jī)制造成本的增加，可在電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化的基礎(chǔ)上，定、轉(zhuǎn)子鐵芯采用新型硅鋼片。

(3) 結(jié)構(gòu)和籠型轉(zhuǎn)子的優(yōu)化。在不考慮電動(dòng)機(jī)制造成本的前提下，整合電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案后，可以使用鑄銅轉(zhuǎn)子替代鑄鋁轉(zhuǎn)子。

(4) 結(jié)構(gòu)和材料的綜合優(yōu)化。在不考慮電動(dòng)機(jī)制造成本的前提下，可以同時(shí)從電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、定轉(zhuǎn)子鐵芯硅鋼片和籠型轉(zhuǎn)子材料3個(gè)方面對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 綜合優(yōu)化方案對(duì)比

各綜合優(yōu)化方案下電動(dòng)機(jī)有限元分析結(jié)果如表9所示，基波和各次諧波幅值大小如圖7所示。優(yōu)化方案下電動(dòng)機(jī)的各次諧波幅值變化不大，故電動(dòng)機(jī)效率由基波幅值決定。電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化時(shí)，由于氣隙長(zhǎng)度、定轉(zhuǎn)子槽型和繞組形式等參數(shù)相互影響，故電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率的增長(zhǎng)并不是各單獨(dú)優(yōu)化方案下效率增長(zhǎng)之和。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)和材料上進(jìn)行綜合優(yōu)化時(shí)，即同時(shí)改變結(jié)構(gòu)、鑄鋁轉(zhuǎn)子和定轉(zhuǎn)子鐵芯硅鋼片時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率最高，為89.42%。

表9 綜合優(yōu)化方案電動(dòng)機(jī)效率對(duì)比

圖7 各綜合優(yōu)化方案下氣隙磁密FFT分析

4 優(yōu)化方案對(duì)比

電動(dòng)機(jī)各單獨(dú)優(yōu)化方案和綜合優(yōu)化方案下能效對(duì)比如表10所示。在電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，改變氣隙長(zhǎng)度后電動(dòng)機(jī)效率增長(zhǎng)了0.93%；調(diào)整定子槽尺寸后效率增長(zhǎng)了0.22%；改變轉(zhuǎn)子槽后效率增長(zhǎng)了0.12%；改變定子繞組后效率增長(zhǎng)了0.08%。在電動(dòng)機(jī)材料優(yōu)化上，單獨(dú)采用鑄銅轉(zhuǎn)子時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率增加了1.7%；單獨(dú)采用新型硅鋼片時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率增加了1.59%。在綜合優(yōu)化方案中，從材料和結(jié)構(gòu)上同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率增長(zhǎng)最多，為2.99%。

表10 不同優(yōu)化方案下效率和功率因數(shù)對(duì)比

異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)是衡量電動(dòng)機(jī)消耗的有功功率占視在功率的比重大小。電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)越大表明電動(dòng)機(jī)有功功率所占比重越大。因而在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)優(yōu)化時(shí)，也應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)變化。在轉(zhuǎn)子槽型單獨(dú)優(yōu)化、繞組型式單獨(dú)優(yōu)化和籠型轉(zhuǎn)子材料單獨(dú)優(yōu)化這3種方案下，優(yōu)化后的電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)存在些許下降，其他方案下電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)都有提高，其中，在結(jié)構(gòu)材料綜合優(yōu)化的方案下電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)增加最多，為0.015 9。

1.1 kW電動(dòng)機(jī)優(yōu)化實(shí)例。原1.1 kW電動(dòng)機(jī)效率為86.4%，功率因數(shù)為0.76。對(duì)原1.1 kW電動(dòng)機(jī)優(yōu)化后得到的樣機(jī)。從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了綜合優(yōu)化，并且采用了新型52CS470硅鋼片。由于考慮到電動(dòng)機(jī)制造成本，故未采用鑄銅轉(zhuǎn)子。

采用GB/T1032-2012規(guī)定測(cè)試方法對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖9所示。測(cè)試時(shí)先起動(dòng)被測(cè)電動(dòng)機(jī)，然后起動(dòng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器可將被測(cè)樣機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳輸?shù)睫D(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速顯示儀上，當(dāng)被測(cè)電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩7.2 N·m時(shí)，可通過觀察測(cè)功機(jī)上顯示的數(shù)據(jù)，得知此時(shí)的電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率和功率因數(shù)。

圖9 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試后得到的電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)曲線如圖10所示。測(cè)得電動(dòng)機(jī)額定功率下的運(yùn)行效率和功率因數(shù)分別為86.93%和0.768 2。而有限元分析結(jié)果中，電動(dòng)機(jī)的效率為87.99%，功率因數(shù)為0.773 3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果略小于仿真結(jié)果的原因可能是由于電動(dòng)機(jī)制造工藝誤差產(chǎn)生的。

圖10 樣機(jī)能效曲線

5 結(jié) 論

由于小型異步電動(dòng)機(jī)的效率提高較為困難，本文運(yùn)用有限元針對(duì)一臺(tái)1.1 kW工業(yè)用小型三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率從電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和材料兩方面進(jìn)行了綜合優(yōu)化分析，并得到一系列優(yōu)化方案。

(1) 從電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化出發(fā)，將氣隙長(zhǎng)度減小為0.2 mm時(shí)電動(dòng)機(jī)效率提高最多，為0.93%。但氣隙長(zhǎng)度的減小會(huì)增加電動(dòng)機(jī)制造工藝的難度。若有制造工藝的限制，則可以選擇從定轉(zhuǎn)子槽型和定子繞組方面對(duì)電動(dòng)機(jī)效率進(jìn)行優(yōu)化。

(2) 從材料上進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，在不考慮電動(dòng)機(jī)制造成本的前提下，單獨(dú)采用鑄銅籠型轉(zhuǎn)子時(shí)電動(dòng)機(jī)效率提高了1.7%左右。單獨(dú)采用新型硅鋼片時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率增加了1.59%。

(3) 在電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和材料的綜合優(yōu)化上，共有4種優(yōu)化方案。其中在電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化的基礎(chǔ)上，同時(shí)采用鑄銅轉(zhuǎn)子和新型硅鋼片時(shí)電動(dòng)機(jī)效率可大幅提高為89.42%，增加了2.99%，達(dá)到國家一級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)。

本文研究設(shè)計(jì)的樣機(jī)是在電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化的基礎(chǔ)上采用了新型硅鋼片，出于對(duì)電動(dòng)機(jī)制造成本考慮，并未采用鑄銅轉(zhuǎn)子。電動(dòng)機(jī)實(shí)際生產(chǎn)制造時(shí)，應(yīng)綜合考慮電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)、材料選取、生產(chǎn)工藝以及成本等因素，合理地選擇超高效電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案。