馬拉松電機(jī)是如何設(shè)計(jì)高效電機(jī)的——提升電機(jī)效率可行性方法案例分析

引言

工業(yè)和信息化部、國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布《電機(jī)能效提升計(jì)劃（2013-2015年）》，明確了在用低效電機(jī)淘汰路線圖，其中2015年底前淘汰2003年（含）前生產(chǎn)的Y、Y2、Y3系列低壓三相異步電動(dòng)機(jī)和電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)自行命名的低壓低效三相異步電動(dòng)機(jī)。

具有百年歷史的國(guó)際化電機(jī)品牌馬拉松電機(jī)一直致力于超高效電機(jī)的研發(fā)和制造，針對(duì)國(guó)家政策已經(jīng)明確要求淘汰低效電機(jī)的情況，馬拉松電機(jī)為客戶提供豐富的高效電機(jī)訂制化設(shè)計(jì)方案。其中有很多客戶在要求提高電機(jī)效率的同時(shí)，并不希望改變電機(jī)的外形和安裝尺寸，不希望改變配套設(shè)備的尺寸。

這意味著電機(jī)的外殼部件、鐵心長(zhǎng)度、定子沖片外圓等尺寸都不能改變，給電機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)了空前的難度。經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算，多次實(shí)驗(yàn)，多次調(diào)整，我們成功地在不改變電動(dòng)機(jī)外形尺寸條件下，以較低成本，將315中心高電機(jī)的效率等級(jí)從高效IE2提高至超高效IE3。

降低電動(dòng)機(jī)損耗的措施

根據(jù)IEC60034-30標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，IE3電動(dòng)機(jī)比IE2電動(dòng)機(jī)平均效率提高約一個(gè)百分點(diǎn)。以315中心高2極電機(jī)中最大功率200kW電動(dòng)機(jī)為例，效率須從95.0%提高至95.8%，315中心高4極電機(jī)中最大功率200kW電動(dòng)機(jī)，效率須從95.1%提高至96.1%。

眾所周知，電動(dòng)機(jī)的損耗主要由定子銅耗、轉(zhuǎn)子鋁耗、鐵耗、機(jī)械損耗和雜散損耗組成，超高效電動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)，必須從降低這五大損耗著手，采取多種舉措，挖掘潛力，降低損耗，提高電動(dòng)機(jī)的效率。

（1）增加有效材料，降低銅、鐵、鋁耗

根據(jù)電動(dòng)機(jī)相似原理，當(dāng)電磁負(fù)荷不變，且不考慮機(jī)械損耗時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率的變化可近似表示為：

式中: η——現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的效率；

a——電動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度比例系數(shù)；

η0——原始電動(dòng)機(jī)的效率。

從式(1)可見(jiàn)，效率與有效材料長(zhǎng)度的線性增長(zhǎng)成反比。所以，有效材料的增加能使效率值提高。

為了在一定的安裝尺寸條件下獲得較大的空間，以便能放置較多的有效材料來(lái)提高電動(dòng)機(jī)的效率，定子沖片外徑尺寸成為一個(gè)重要因素。對(duì)于IE3超高效電動(dòng)機(jī)，由于其效率提高幅度較大，僅靠軸向尺寸的增加來(lái)提高效率是很困難的，為此很多公司選擇了放大定子沖片外徑的方案。

這意味著機(jī)座、端蓋、風(fēng)罩等外殼部件均須全部新制，不僅大量增加成本，而且結(jié)構(gòu)件的力學(xué)和固有頻率都需重新核算、分析和試驗(yàn)。不僅如此，電動(dòng)機(jī)的外形尺寸會(huì)比現(xiàn)有的IE2高效電機(jī)大，這將改變客戶配套設(shè)配，增加客戶使用成本，這是很多客戶所不能接受的。

既然定子沖片外徑和鐵心長(zhǎng)度都不能改變，意味著鐵的用量無(wú)法增加，那我們只能考慮如何增加銅和鋁的用量。我們發(fā)現(xiàn)315中心高電機(jī)的沖片對(duì)銅和鋁的利用率并不很高，于是參考我公司某一系列電動(dòng)機(jī)的三圓尺寸，將定子鐵心內(nèi)圓縮小，增加定子槽深，增加銅的用量；同時(shí)增加轉(zhuǎn)子槽深，增加鋁的用量。

以315中心高2極最大功率為例，即以H 315－2－200kW電機(jī)為例，保持鐵心長(zhǎng)不變，定子外圓不變，縮小定子內(nèi)徑尺寸后，銅和鋁的用量均有明顯提高，見(jiàn)表1。

由于銅和鋁用量提高，銅、鐵、鋁的損耗也相應(yīng)降低，同樣以H315-2-200kW為例，表2列出的銅、鐵、鋁的損耗平均降低20%左右。

由此，在不改變定子外圓和鐵心長(zhǎng)的條件下，順利把銅、鐵、鋁三大損耗降低了20%左右。

（2）采用高牌號(hào)的磁性材料，降低鐵耗。

鐵心材料的電磁性能對(duì)電動(dòng)機(jī)的效率及其他性能影響較大，同時(shí)鐵心材料又是構(gòu)成電動(dòng)機(jī)成本的主要部分之一，因此選用合適的磁性材料是設(shè)計(jì)和制造IE3超高效電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵。

由于鐵耗占總損耗的比例較大（約占電機(jī)總損耗的25%，不同極數(shù)的電機(jī)比例有所不同），大幅降低鐵耗顯得很有必要。由于受到軸向尺寸和中心高的限制，單純的增加有效材料達(dá)不到大幅降低鐵耗的目的，因此必須選用低損耗的硅鋼片。

我們選用了2種牌號(hào)的硅鋼片進(jìn)行了對(duì)比，分別是50W400和50W600。表3是試算的2個(gè)規(guī)格電動(dòng)機(jī)在電磁方案不變的情況下，采用不同牌號(hào)硅鋼片時(shí)，電動(dòng)機(jī)損耗的情況。

從表3可以看出，選用低損耗的50W400沖片，鐵耗下降明顯，可以將200kW電動(dòng)機(jī)鐵耗降低20%左右。

通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，315中心高超高效IE3電動(dòng)機(jī)選用低損耗的50W400能有效降低鐵損，增加電動(dòng)機(jī)效率。

（3）合理控制電動(dòng)機(jī)溫升。

GB/T1032和IEEE112B法規(guī)定雜散損耗采用實(shí)測(cè)，實(shí)際損耗根據(jù)實(shí)際運(yùn)行溫度來(lái)進(jìn)行計(jì)算，可以真實(shí)反映電動(dòng)機(jī)真實(shí)的運(yùn)行、制造和設(shè)計(jì)的水平，同時(shí)把溫升引入到定、轉(zhuǎn)子損耗的計(jì)算中，充分考慮了溫升對(duì)效率的影響。

GB/T1032和IEEE112B法對(duì)定、轉(zhuǎn)子損耗和雜散損耗的規(guī)定可以得出以下結(jié)論：定子銅耗、轉(zhuǎn)子鋁耗與電動(dòng)機(jī)溫升成正比，隨著溫升的升高，損耗增加，效率將低；同理，隨著溫升的降低損耗減小，效率增大。

對(duì)于溫升不高的電動(dòng)機(jī)，可以通過(guò)減小風(fēng)扇外徑，降低機(jī)械損耗的方法來(lái)提高電動(dòng)機(jī)的效率。但對(duì)于315中心高200kW電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，IE2高效電動(dòng)機(jī)的溫升已接近極限值。

所以對(duì)于315中心高的電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，用減小風(fēng)扇外徑的方法來(lái)降低電動(dòng)機(jī)損耗的方法效果并不理想。反而，通過(guò)降低電動(dòng)機(jī)溫升的方法，來(lái)降低銅、鐵、鋁的損耗更為合理。從表4可以看出，將溫升降低20℃，電動(dòng)機(jī)銅耗、鋁耗可以平均降低6.2%。

以H 315-4-200kW為例，風(fēng)扇外徑縮小35mm，其他尺寸不變，機(jī)械損耗下降180W，但溫升上升將近15K。溫升增大導(dǎo)致銅耗、鋁耗增大。從試驗(yàn)結(jié)果看，如果風(fēng)扇外徑不減小，H 315-2-200kW電動(dòng)機(jī)溫升由73K降低至52K；H 315-4-200kW電動(dòng)機(jī)溫升由79K降低至56K。電機(jī)效率完全合格。

所以針對(duì)以上案例，減小風(fēng)扇外徑并不能有效降低損耗、提升效率，合理控制溫升才是降低損耗的有效途徑。

（4）降低雜散損耗。

雜散損耗是指由氣隙磁場(chǎng)高次諧波所產(chǎn)生的負(fù)載雜散損耗，IE3超高效電動(dòng)機(jī)按GB/T1032和IEEE2B法，實(shí)測(cè)雜散損耗，這就要求電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造時(shí)，重視質(zhì)量，降低雜散損耗。

①增大電動(dòng)機(jī)的氣隙。電動(dòng)機(jī)的表面損耗與諧波磁場(chǎng)的幅值和頻率有關(guān)，適當(dāng)?shù)卦龃髿庀堕L(zhǎng)度，可以有效地削弱諧波磁場(chǎng)的幅值，降低表面損耗。這部分損耗與氣隙的關(guān)系為：

式中：k——系數(shù)
      δ——?dú)庀堕L(zhǎng)度。

由式（2）可知，適當(dāng)增大電動(dòng)機(jī)的氣隙，減小定、轉(zhuǎn)子諧波磁通的幅值，可以有效地減少雜散損耗。

②采用低諧波繞組。由于沿鐵心表面按正弦曲線分布的電流層所產(chǎn)生的磁勢(shì)是按正弦曲線分布的，因此將槽內(nèi)的導(dǎo)體數(shù)量適當(dāng)分配，使槽內(nèi)電流沿鐵心表面按正弦規(guī)律分布，便可得到更接近于正弦波形的磁勢(shì)曲線。從而大大削弱相帶諧波磁勢(shì)，并能有針對(duì)性地消除5次和7次諧波幅值，有效的降低電動(dòng)機(jī)的雜散損耗。

表5列舉了IE2-315-4-200kW電機(jī)采用低諧波繞組與普通雙層疊繞的試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)，由此看出，采用低諧波繞組，不僅可以大大降低雜散損耗，而且可以降低溫升，節(jié)省銅線用量。

③其他。如控制端部尺寸、提高制造工藝和精度等，在此不詳細(xì)展開(kāi)描述。

2、降低電動(dòng)機(jī)成本的措施

（1）減少模具成本。

由于沿用IE2電機(jī)的所有結(jié)構(gòu)件，沒(méi)有任何模具成本增加，所以本方案可節(jié)省機(jī)座模具、端蓋模具、風(fēng)罩拉伸模、鑄鋁模等模具成本至少30萬(wàn)人民幣左右，在此不詳細(xì)展開(kāi)描述。

（2）減少材料成本。

相比采用放大定子外圓或增加鐵心長(zhǎng)的銅、鐵、鋁用材，本方案更加節(jié)省成本。表6列舉了 IE3-315-2-200kW采用本方案和放大定子外圓方案三大主材成本對(duì)比，其中可以看出本方案在主材成本上占有優(yōu)勢(shì)。

表6列舉的兩個(gè)方案均是雙層疊繞的方案，如采用低諧波繞組將比采用雙層疊繞節(jié)省約7%~10%銅使用量。

同時(shí)，本方案比放大定子外圓方案擁有更小的結(jié)構(gòu)件重量，包括機(jī)座和端蓋，這將有效降低鑄鐵使用量至少10%。

（3）減少客戶使用成本。

電機(jī)正朝著效率越來(lái)越高，功率越來(lái)越大，體積越來(lái)越小的方向發(fā)展。同時(shí)電機(jī)配套的設(shè)備，如壓縮機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)、造紙機(jī)、礦山機(jī)械、輕工機(jī)械、機(jī)床、起重卷?yè)P(yáng)設(shè)備等，也朝著同一方向發(fā)展。電機(jī)外形尺寸的增大，迫使部分客戶配套設(shè)備發(fā)生相應(yīng)改變，增加客戶使用成本，這與電機(jī)及其配套設(shè)備的發(fā)展方向背道而馳。

采用本方案的電機(jī)效率等級(jí)從IE2提高至IE3，但外形不發(fā)生變化，避免了客戶改造配套設(shè)備，減少了客戶的使用成本。

3、結(jié)語(yǔ)

發(fā)展超高效電機(jī)是符合國(guó)家節(jié)能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃的要求，也是目前世界各國(guó)為解決能源緊張、減少大氣污染等采取的主要措施。在不改變外形尺寸的條件下，馬拉松電機(jī)通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)各種損耗降低措施的綜合運(yùn)用，在設(shè)計(jì)中大幅度降低電動(dòng)機(jī)的各種損耗，將315中心高電動(dòng)機(jī)的效率等級(jí)順利地從IE2提升至IE3。將IE1、IE2、IE3電機(jī)統(tǒng)一了外形尺寸，不僅降低成本，還減少了客戶設(shè)備投資，以經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行了能效升級(jí)。