摘 要：在能源日趨緊張的情況下，如何提高效率，節(jié)約能源逐漸成為了社會(huì)普遍關(guān)注的問題。電動(dòng)機(jī)用電量在我國工業(yè)用電量中占有相當(dāng)大的比重，它的效率高低對(duì)能源消耗具有重要的影響。本次設(shè)計(jì)根據(jù)通用電機(jī)實(shí)際情況，就提高電動(dòng)機(jī)效率進(jìn)行分析，主要包括：電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)、低諧波定子繞組、鐵心材料，通過高效風(fēng)扇、電機(jī)溫升及噪聲、磁性槽楔對(duì)電機(jī)性能影響的研究與分析，達(dá)到電動(dòng)機(jī)提高效能的目的。

關(guān)鍵詞：鐵心材料；磁性槽楔；效能

引言

近十幾年來，隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源的消耗日益增加，世界能源危機(jī)問題越來越突出，巨大的能源消耗引起的環(huán)境污染問題也日趨嚴(yán)重。我國在“十一五”期間開展了各方面的節(jié)能研究工作，重點(diǎn)在工業(yè)節(jié)能方面。若將電動(dòng)機(jī)的平均效率提高，減少電能的損耗，使得發(fā)電量大大減少，從而達(dá)到減少能源消耗的目的。我國目前大量使用的Y系列、Y2系列電動(dòng)機(jī)，基本上符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB18613-2002中的能效限定值的要求，該電動(dòng)機(jī)的效率等級(jí)按照歐盟的標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)到EFF2級(jí)。但比歐盟的高效指標(biāo)EFF1低2～3個(gè)百分點(diǎn)，比美國的NEMAE低5～6個(gè)百分點(diǎn)，差距較大。

1 三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

三相異步電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)基本部分組成。三相異步電動(dòng)機(jī)的定子由機(jī)座中的定子鐵心及定子繞組組成。機(jī)座一般由鑄鐵制成。定子鐵心是有沖有槽的硅鋼片疊成，片與片之間涂有絕緣漆。三相繞組是用絕緣銅線或鋁線繞制成三相對(duì)稱的繞組按一定的規(guī)則連接嵌放在定子槽中。轉(zhuǎn)子部分是由轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組組成的。轉(zhuǎn)子鐵心也是由相互絕緣的硅鋼片疊成的。鐵心外圓沖有槽，槽內(nèi)安裝轉(zhuǎn)子繞組。

2 三相異步電動(dòng)機(jī)效能分析與研究

2.1 電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)分析與研究

電機(jī)設(shè)計(jì)要講究各尺寸之間的合理匹配，即根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)要求選擇合理的電機(jī)尺寸以使電機(jī)達(dá)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于電動(dòng)機(jī)制造行業(yè)，在電動(dòng)機(jī)本身的設(shè)計(jì)工作中，原材料用量和電機(jī)產(chǎn)品本身的性能指標(biāo)始終是需要很好平衡的一對(duì)矛盾。如何在有限的原材料用量，可行又經(jīng)濟(jì)的加工條件下，使電動(dòng)機(jī)的各種損耗減小，從而提高其效率指標(biāo)，一直是電機(jī)電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)的追求目標(biāo)。電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵建立更加精確的數(shù)學(xué)模型和謀求更準(zhǔn)確的求解途徑。由于電機(jī)的設(shè)計(jì)變量不可能是理想的連續(xù)變量，其目標(biāo)函數(shù)和變量之間的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)無法用設(shè)計(jì)變量表達(dá)出來，這樣的函數(shù)往往是多峰值的函數(shù)，因而基于傳統(tǒng)的方法不能得到全局最優(yōu)解。于是一些新穎的優(yōu)化算法，如模糊算法、遺傳算法、模擬退火法等智能化算法開始引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視，而且在電機(jī)領(lǐng)域也越來越多被應(yīng)用，這些算法從理論上可以求得全局最優(yōu)解。當(dāng)然，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及優(yōu)化理論的進(jìn)步，一些更新的算法或改進(jìn)的算法正在應(yīng)用到實(shí)際工程當(dāng)中。

2.2 鐵心材料的分析與研究

要降低鐵耗，除了增加硅鋼片的用量外，鐵芯材料的磁性能（導(dǎo)磁率和單位鐵損）對(duì)電機(jī)的鐵耗和其它性能影響很大。在較大功率電機(jī)中，鐵耗在總損耗中已占到相當(dāng)大的比重。目前，為了實(shí)現(xiàn)高效電機(jī)計(jì)劃，各國紛紛在新的材料成分、生產(chǎn)技術(shù)、開發(fā)精度及生產(chǎn)工藝等方面不斷改進(jìn)，以提高硅鋼片材料的性能。日本、美國、法國、德國及俄羅斯都在生產(chǎn)平均損耗P15/50=3.50～5.00W/kg、平均磁感B50=1.72～1.73T的0.5mm厚度規(guī)格的低碳、低硅高磁感硅鋼片。我國因使用低損耗的硅鋼片比較晚，因此硅鋼片產(chǎn)品性能與發(fā)達(dá)國家還有很大差距。現(xiàn)階段我國高牌號(hào)低損耗高性能的硅鋼片價(jià)格因價(jià)格比較昂貴不被用戶接受，得不到普及，這既阻礙了我國高性能硅鋼片材料的發(fā)展，也是導(dǎo)致我國高壓電機(jī)效率難以得到提高的一大原因。但不管是增加鐵芯長，還是采用高性能的硅鋼片材料，都會(huì)增加電機(jī)的制造成本，所以設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)要考慮性價(jià)比的問題，根據(jù)實(shí)際要求，合理地選擇鐵芯材料。

2.3 低諧波定子繞組的分析與研究

在三相異步電動(dòng)機(jī)中，繞組在電機(jī)中起著十分重要的作用。繞組磁動(dòng)勢(shì)所包含的高次諧波之強(qiáng)弱直接影響著電動(dòng)機(jī)的性能。目前高壓電機(jī)普遍采用的普通600相帶等元件繞組，雖然工藝性好，但存在著不少諧波，影響電機(jī)性能。因該繞組具有提高繞組系數(shù)、降低雜散損耗、改善電機(jī)系能，降低電機(jī)溫升等優(yōu)點(diǎn)，因此是應(yīng)用于高效電動(dòng)機(jī)的一種有效方法。低諧波繞組按繞法不同分為兩種型式：雙層同心式結(jié)構(gòu)和星-角接混合式結(jié)構(gòu)。前者是通過調(diào)配各線圈的匝數(shù)比來消除或削弱高次諧波的，后者通過分別選擇合理的星接和角接線圈匝數(shù)、并聯(lián)支路數(shù)、并繞根數(shù)以及線規(guī)來消除或削弱高次諧波的。

3 三相異步電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 磁性槽楔對(duì)電機(jī)溫升及噪聲的影響

電機(jī)的溫升主要是由于電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的損耗轉(zhuǎn)化為熱量引起的，主要包括鐵芯溫升和繞組溫升。由于采用磁性槽楔后，表面損耗和脈振損耗均降低，因此電機(jī)的溫升會(huì)降低，而且磁性槽楔的導(dǎo)熱系數(shù)比非磁性槽楔高得多，也會(huì)引起溫升的降低。同樣，采用磁性槽楔的電機(jī)磁場(chǎng)脈振振幅幅減少，故電機(jī)的噪聲和振動(dòng)也會(huì)降低，從而延長了電機(jī)的使用壽命。

3.2 高效風(fēng)扇對(duì)電機(jī)性能的影響

風(fēng)扇按原理來分有離心式和軸流式。離心式風(fēng)扇徑向氣流為主，只能先換成靜壓后氣流改變方向再進(jìn)入鐵芯，這種轉(zhuǎn)換與方向的變化都會(huì)引起損耗。而軸流是風(fēng)扇氣流方向與風(fēng)扇軸線平行，氣流直接進(jìn)入鐵芯，因此軸流式效率明顯高于離心式風(fēng)扇。軸流式風(fēng)扇風(fēng)壓小、風(fēng)量大，噪聲低，適用于大中型高速電機(jī)。離心式風(fēng)扇風(fēng)壓高、風(fēng)量低，普通高壓大中型電機(jī)多以離心式風(fēng)扇為主。離心式風(fēng)扇根據(jù)葉片出口角度分為徑向、前傾和后傾。其中徑向離心式風(fēng)扇結(jié)構(gòu)簡單，適合雙向旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，實(shí)用性比較廣，適合各種容量的傳動(dòng)直流和交流電動(dòng)機(jī)。高壓三相異步電動(dòng)機(jī)的外風(fēng)扇目前主要是以徑向離心式風(fēng)扇為主，但是這種風(fēng)扇最大的缺點(diǎn)效率非常低，不利于電機(jī)損耗的降低。前傾和后傾離心式風(fēng)扇效率比較高，但工藝比較復(fù)雜，且電機(jī)不可逆轉(zhuǎn)。對(duì)于電機(jī)風(fēng)阻較大、要求高風(fēng)壓時(shí)，可采用前傾離心式風(fēng)扇，而對(duì)于效率要求高的電機(jī)中，適宜采用后傾離心式風(fēng)扇，該風(fēng)扇不僅效率高，噪聲低，還能兼顧到風(fēng)壓和風(fēng)量。

4 三相異步電動(dòng)機(jī)降耗方法

通過對(duì)上述的鐵心材料、低諧波定子繞組的研究與分析，得出三相異步電動(dòng)機(jī)可通過尺寸優(yōu)化，使用低損耗硅鋼片材料并采用新的少槽-近槽配合，在保證經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，減少損耗，提升效率，達(dá)到實(shí)現(xiàn)提高電機(jī)效能的目的。

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作者簡介：陳漫江（1976，3-），女，湖南湘潭，本科學(xué)歷，工程師。