摘要；铜转子超高效率三相异步电动机在保证效率达到IE3超高效率技术水平的同时，还要保证其他技术指标符合常规三相异步电动机的要求。通过对铜转子电机的技术指标进行分析，结合典型样机的试验数据进行验证，确定了符合铜转子超高效率三相异步电动机特性的合理的技术指标，编制了相关产品标准。
关键词:三相异步电动机; IE3超高效率
中小型电机是量大面广、实现机电能量转换的重要驱动机械,广泛应用于工业、农业、国防、商业、公用设施和交通等国民经济建设的各个领域,是各行各业不可或缺的核心动力装备。中小型电机及系统的应用范围十分广泛,其用电量约占工业系统总用电量的75%,占全国总发电量的50%以上。因此,世界各国政府和国际组织已公认中小型电机及系统具有巨大的节能潜力。
我国已成为世界上最大的中小型电机生产、使用和出口大国,2008年我国的交流电动机产量达2亿kW,目前全国现有的装机容量约为15亿kW。随着我国国民经济的不断发展,今后较长一段时期,电动机产量还将会持续扩大。根据国际通用的估算方法,电动机装机容量为发电机装机容量的2.5～3.5倍,预计到2020年,我国发电机的装机容量将超过15亿kW。据此推算,电动机的装机容量也将达到45亿kW,而目前我国高效率电机的市场份额仅约为5%,与国外在开展高效率电机的推广应用方面尚存在较大差距。电机产业作为低碳经济的重要组成部分,为实现温家宝总理在哥本哈根会议上的庄严承诺,开发超高效率电动机已显得非常必要。
1 电机特性分析
在设计过程中,保持电机定、转子铁心三圆尺寸不变,仅对铁心槽形和长度进行调整、优化。这样可以最大限度地利用现有机座号的三相异步电动机机座、端盖和轴承等零部件,节约了研发、生产成本。
为了分析电机各参数对电机性能的影响,首先从图1所示的三相异步电动机的等效电路图人手,对电机效率和堵转电流和堵转转矩等进行分析。
在其余条件不变的情况下,采用铸铜转子后仅对电机的转子电阻产生影响,按照电机设计的方法,在计算得到图1中相关参数后,在转子槽形不变的情况下计算得到该电机的转子电阻分别为代人式。
计算得到电机的转矩——转差率曲线和电流——转差率曲线分别如图2和图3所示。
从图2、图3可以直观地判断电机转子材料由铸铝改为铸铜材料后,堵转电流增大,堵转转矩减小。但在采用等效电路进行分析时,由于忽略了堵转时电机转差率大而造成的转子电阻增加,以及堵转时电抗的变化',因此该分析结果仅能作为电机设计的定性参考。考虑到采用传统设计方法调整电机铁心参数得到的设计结果误差较大在槽形复杂时更为明显,因此下面将采用有限元方法对电机参数进行调整,并对调整参数后的电机性能进行分析和设计。
图3 电流一 转差率曲线
2 提高效率的几条措施
本设计采用了如下几条提高效率的措施:
增加铁芯长度,减小磁密,以降低定子铁芯损耗,并且调整齿部磁密和辘部磁密的分配,使铁耗更为合理。
增加导线的截面积,减少定子绕组匝数,使定子电阻值变小,以致使得定子铜耗(IZR,)降低。
增加转子导条截面积,适当增加端环截面积,减小转子电阻,降低转子银耗。
采用高导磁低损耗的优质硅钢片。
以上几种措施在本设计中有机地结合起来,使得总损耗尽可能地减少,既达到了提高效率、节能的目的,又照顾了其它性能指标。
超高效电机的设计
电机有限元模型的建立及验证
在设计前,首先以YB3一180L一4铸铝转子电机验证有限元模型的合理性,分析及试验结果如表1所示。从表1可看出,采用有限元模型分析的铸铝转子电机各项性能同试验值相比误差均在5%以内,因此该分析模型是合理的。在不改变电机铁心材料及几何尺寸的情况下对铸铜转子电机的性能进行分析,结果如表2所示。稳态运行的磁密分布如图4所示。
从表2可看出,虽然电机转子导条材料改为了铸铜,但按功率的1.3%考虑铸铜转子电机的杂散损耗后,电机的效率略有下降。在采用铸铜转子后相对于同型号和铁心尺寸的铸铝转子电机,堵转电流倍数增加,堵转转矩倍数下降,最大转矩倍数增加,其中堵转转矩超过了标准中对电机性能的容差下(限为1.87)要求。因此,需要对电机进行更改设计,使其各项性能指标符合相关标准要求。
铸铜转子电机的更改设计
根据表2的计算结果,考虑到导条的集肤效应可提高起动转矩并降低起动电流,而且深而窄的槽形较浅而宽的槽形集肤效应更为明显,因此对转子槽形尺寸的调整思路主要是减小刀形槽上部槽宽,增加槽上部长度。如图5所示,实线部分为原始槽形,虚线部分为调整后的槽形。
在满足电机堵转电流倍数和堵转转矩倍数要求的前提下,调整得到的槽形尺寸参数如表3所示。此外,为了提高电机效率,初步考虑使用增大转子导条面积的方式实现。但通过进一步分析发现,在调整刀型槽下部尺寸时,转子齿部和扼部磁密出现饱和,使电机运行时电流波形出现畸变,增加了谐波分量,使得电机杂散损耗增加,对电机性能产生不利影响。因此,应从定子绕组和铁心槽形尺寸方面考虑该铸铜转子电机效率的提高。
如图所示,根据有限元分析结果,在不改变定子铁心槽形的情况下,定子铁心扼部磁密约为1.3T,齿部磁密约为1.5T。由此可见,定子铁心扼部具有一定的调整裕量。在增大槽形面积见图6的同时增大绕组线径,从而减小定子绕组电阻,使得电机效率提高。此外为了降低铁心磁密,将铁心长度增加5mm,即由240mm增至245mm。
调整前后定子铁心及绕组数据如表4 所示
按上述方法调整电机设计参数后得到的堵转转矩随时间变化的曲线如图所示,其均值为311.8N·m。堵转电流随时间变化的曲线如图8所示,稳定后其有效值为176.5A。
额定工况稳态运行时的电流曲线如图9所示,其有效值为23.6A。
经设计更改后的电机性能汇总如表5所示。由表5可见,经改进设计后的铸铜转子电机各项性能参数均优于更改前的电机在采用GB/T1032一2012它规定的效率测试方法仍能符合GB/T18613一2012能效标准中的2级能效即超高效电机的要求此外,该电机各项性能指标符合程GB/T22722一2008的要求。
结 语；随着国家节能减排政策的推行,现有电机由于达不到最新的能效限定值和节能评价值标准而将面临逐步淘汰,因此势必开发节能效果好的超高效电机。本文通过设计、分析,给出了一种不改变电机铁心三圆尺寸,而通过采用铸铜转子、调整电机槽形尺寸和绕组参数来实现超高效的电机设计方案,最大限度地利用现有机座号的三相异步电动机机座、端盖和轴承等零部件,节约了研发、生产成本。从有限元仿真分析和试验数据中可以看出,采用该设计方案的电机不仅效率达到了最新能效标准的要求,其堵转电流和堵转转矩等技术条件也符合代GB/T22722一2008的要求,具有较好的社会和经济效益。
参考文献;
(1)YX3系列高效率三相异步电动机研制_李秀英
(2)超高效率三相异步电动机的一种设计方法_朱楷
(3)开发铸铜转子超高效率三相异步电动机系列产品的考虑_李志强
(4)提高Y系列三相异步电动机效率的探讨_李君
(5)中小型三相异步电动机效率综述_黄坚
(6)铸铜转子超高效率电动机的研制_黄坚
论文作者:张耿中
论文发表刊物:《基层建设》2016年24期8月下
论文发表时间:2016/12/6
标签：电机论文; 转子论文; 铸铜论文; 铁心论文; 定子论文; 效率论文; 所示论文; 《基层建设》2016年24期8月下论文;