付志華 浦周猛 楊華忠

摘要：電動(dòng)機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域扮演著極為重要的角色，提升電機(jī)的電能使用效率可為企業(yè)帶來(lái)了巨大經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)，隨著能源危機(jī)的日益加劇和對(duì)環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注，通過(guò)新材料、新技術(shù)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)電機(jī)效率的提升、能耗的降低，成了電機(jī)設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)者研究的焦點(diǎn)。本文就鑄銅轉(zhuǎn)子技術(shù)在IE3，IE4系列中小型鼠籠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用前景進(jìn)行探討，希望對(duì)相關(guān)單位有所幫助。

關(guān)鍵詞：鑄銅;轉(zhuǎn)子;感應(yīng)電動(dòng)機(jī);

引言

基于先進(jìn)的技術(shù)手段及制造工藝提升電動(dòng)機(jī)效率等級(jí)，制造出高效節(jié)能、持久耐用的電機(jī)產(chǎn)品，對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能降耗和進(jìn)一步落實(shí)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義。傳統(tǒng)的中小型鼠籠感應(yīng)電機(jī)雖然在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，并被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，但較低的電機(jī)能效一直以來(lái)是該類型電機(jī)存在的弊端。利用先進(jìn)銅轉(zhuǎn)子壓鑄技術(shù)，將常規(guī)的鑄鋁鼠籠升級(jí)為鑄銅鼠籠，并把電機(jī)進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，集成升級(jí)后，因銅具有的高導(dǎo)電性，可使電機(jī)損耗降低約15%～30%，效率提高2%～5%。鑄銅轉(zhuǎn)子電機(jī)與鑄鋁轉(zhuǎn)子電機(jī)相比因其具有的體積小、重量輕;效率高、損耗低、溫升低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，其被列入“國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）”能源領(lǐng)域工業(yè)節(jié)能優(yōu)先主題。中小型鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的鼠籠轉(zhuǎn)子使用鑄銅轉(zhuǎn)子技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑄鋁轉(zhuǎn)子技術(shù)后無(wú)論在電機(jī)能效水平、可靠性、設(shè)計(jì)的靈活性等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)鑄鋁轉(zhuǎn)子電機(jī)，特別是鑄銅轉(zhuǎn)子鼠籠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)能效等級(jí)能達(dá)到IE3、IE4能效等級(jí)。是未來(lái)感應(yīng)電機(jī)的發(fā)展必然趨勢(shì)。故本文就鑄銅轉(zhuǎn)子鼠籠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用前景展開討論。

1.鑄銅轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)分析

1.1銅的導(dǎo)電性能分析

銅的導(dǎo)電性能僅次于銀，但相較于鋁其導(dǎo)電性要高40%左右。目前公認(rèn)銅的導(dǎo)電性能是所有金屬中排名相對(duì)靠前的。退火后的純銅導(dǎo)電性能為100%，其與的金屬介質(zhì)導(dǎo)電性能的標(biāo)定均與該材料進(jìn)行對(duì)比標(biāo)定，即國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)值（IACS）。對(duì)于銅介質(zhì)而言，些微的微量元素?fù)诫s極有可能影響其最終導(dǎo)電效果，因此業(yè)內(nèi)通常將IACS結(jié)果作為檢驗(yàn)銅純度的重要參考數(shù)據(jù)。通常純度較高的銅其IACS值可以達(dá)到101.5%，而純度達(dá)到99.996%的鋁以及99.5%工業(yè)純鋁的IACS值還不到65%，分別為64.94%與59%。由此可見，就電氣應(yīng)用而言，基于銅作為介質(zhì)材料，整個(gè)電動(dòng)機(jī)在導(dǎo)電性方面的表現(xiàn)要明顯優(yōu)于同等情況下的鋁材介質(zhì)。

1.2鑄銅轉(zhuǎn)子電機(jī)能效提升分析

電動(dòng)機(jī)是人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)以及生活重要?jiǎng)恿υO(shè)備，因此應(yīng)用范圍非常廣泛。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，美國(guó)電動(dòng)機(jī)消耗的電量占總用電量的一半以上;我國(guó)作為全球生產(chǎn)制造大國(guó)對(duì)于電動(dòng)機(jī)的需求更高，相關(guān)調(diào)查結(jié)果表明我國(guó)全部電動(dòng)機(jī)電量消耗占總能源消耗的60%左右。由此可見，提升電動(dòng)機(jī)能效的重要意義。電動(dòng)機(jī)能效的提升首先需要降低其損耗，以三相異步電動(dòng)機(jī)為例，電動(dòng)機(jī)的損耗主要來(lái)自鐵芯、定轉(zhuǎn)子、雜散以及風(fēng)摩損耗。相比于其它幾種類型的損耗，定子繞組損耗最大，其次為轉(zhuǎn)子損耗。就轉(zhuǎn)子而言，現(xiàn)階段市場(chǎng)上電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子主要以鑄鋁轉(zhuǎn)子居多，如若使用新型的鑄銅轉(zhuǎn)子取代傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子工藝，則總的電動(dòng)機(jī)損耗將可明顯降低，由此電動(dòng)機(jī)整體性能表現(xiàn)將迅速抬高。電機(jī)損耗降低的同時(shí)相對(duì)應(yīng)所釋放的熱能也大大降低，由此電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子與定子線圈的溫度均明顯降低。進(jìn)一步分析，溫度的大大降低則電動(dòng)機(jī)對(duì)于風(fēng)扇的需求也逐漸降低，相對(duì)應(yīng)的摩擦損耗以及空氣阻力有所降低，最終電機(jī)的整機(jī)能效將會(huì)提高。據(jù)此，基于鑄銅轉(zhuǎn)子可以使電機(jī)達(dá)到高效乃至超高效水平，甚至可以將電機(jī)整機(jī)效率提升至Super Premium的超超高效水平。

由上表不難看出，基于鑄銅轉(zhuǎn)子的電動(dòng)機(jī)實(shí)際測(cè)得效率為86.6%高于鑄鋁轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)85%，并且電機(jī)的功率越小，整機(jī)的效率提升會(huì)越明顯。

1.3鑄銅轉(zhuǎn)子電機(jī)可靠性分析

由于整機(jī)工作溫度的有所下降，整機(jī)的運(yùn)行壽命將大大提高，設(shè)備售后維修投入也將更低。依據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)，通常電動(dòng)機(jī)整機(jī)溫度每降低10度左右，絕緣材料的使用壽命將可提高一倍，因此鑄銅轉(zhuǎn)子在耐用方面以及工作可靠性方面表現(xiàn)均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鑄鋁轉(zhuǎn)子。

如下表所示為鑄鋁轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)與鑄銅轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)溫升方面數(shù)據(jù)詳細(xì)對(duì)比。

電機(jī)的溫升表現(xiàn)對(duì)于整機(jī)的運(yùn)行效率以及使用壽命等多個(gè)方面具有重要意義。根據(jù)表中數(shù)據(jù)無(wú)論是15HP（11Kw）型電機(jī)還是25HP（18.7Kw）型電機(jī)，鑄銅轉(zhuǎn)子的電機(jī)溫升均明顯低于鑄鋁轉(zhuǎn)子，整機(jī)電氣安全性明顯提高，對(duì)于環(huán)境較為惡劣的情況電機(jī)的適應(yīng)性更好。永磁同步電機(jī)是目前小型風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用較為常見的電動(dòng)機(jī)設(shè)備之一，但傳統(tǒng)的永磁電機(jī)工作可靠性普遍不高，極易受高溫、振動(dòng)等要素的影響，除此之外基于鑄鋁轉(zhuǎn)子技術(shù)的永磁電動(dòng)機(jī)工作效率不高也是制約風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的重要原因。但采用鑄銅轉(zhuǎn)子的電動(dòng)機(jī)后整個(gè)電機(jī)效率得到明顯提升，且由于鑄銅轉(zhuǎn)子電機(jī)溫升明顯低于鑄鋁轉(zhuǎn)子電機(jī)因此工作可靠性、電機(jī)使用壽命等均大大增加。因此鑄銅轉(zhuǎn)子電機(jī)可以作為當(dāng)前小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要技術(shù)選擇之一。

1.4鑄銅轉(zhuǎn)子電機(jī)的功率密度及設(shè)計(jì)靈活性分析

銅的電阻率明顯低于鋁材，因此在相同的條件下鑄銅轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的感應(yīng)電流要明顯高于鑄鋁轉(zhuǎn)子，因此在電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中可以使用更少的銅材來(lái)達(dá)到相同的功率的電動(dòng)機(jī)。也正是因?yàn)樵诩庸ぴ戏矫娴拇蟠蠼档停沟描T銅轉(zhuǎn)子在同等功率以及效率環(huán)境下，比鑄鋁轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)更為節(jié)省材料開支，電機(jī)的體積更小、重量更低。除此之外，鑄銅轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)在其它方面也具有鑄鋁轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)所不能達(dá)到的優(yōu)勢(shì)，因此可以為相關(guān)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)廠商提供更加寬泛以及靈活的設(shè)計(jì)空間，可以有效降低整機(jī)的生產(chǎn)制造成本，鑄銅轉(zhuǎn)子電機(jī)在整機(jī)設(shè)計(jì)體積方面大大降低，整機(jī)的重量也有所降低，因此在最終生產(chǎn)制造成本投入更低，為企業(yè)創(chuàng)造更多的效益。

2.結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)機(jī)是人們最為常見的驅(qū)動(dòng)設(shè)備之一，隨著先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大量新型電動(dòng)機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)的方方面面扮演著重要角色。近年來(lái)，我國(guó)大力提倡節(jié)能降耗技術(shù)，基于先進(jìn)的技術(shù)手段及制造工藝實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的能效提升、損耗降低意義重大?；阼T銅轉(zhuǎn)子技術(shù)的中小型鑄銅轉(zhuǎn)子鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)無(wú)論在電機(jī)能效水平、可靠性、設(shè)計(jì)的靈活性、功率密度等方面較傳統(tǒng)鑄鋁轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)優(yōu)勢(shì)明顯，是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)節(jié)能降耗的重要途徑，也是未來(lái)電動(dòng)機(jī)行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，相關(guān)電機(jī)制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)牢牢把握鑄銅轉(zhuǎn)子作為IE3，IE4系列電動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向，大力推動(dòng)鑄銅轉(zhuǎn)子鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的的電機(jī)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品研發(fā)，為企業(yè)搶占未來(lái)IE3，IE4系列中小型鑄銅鼠籠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)制高點(diǎn)和市場(chǎng)制高點(diǎn)奪得先機(jī)。

參考文獻(xiàn)

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