雙層同心不等匝低諧波繞組節(jié)能電機設計方法的研究
曾群
摘 要： 在分析影響電機效率的五大損耗的基礎上，針對不同損耗的特點提出了不同的解決措施，并通過針對性的試驗驗證了各種措施的有效性。綜合比較后指出雙層同心不等匝低諧波繞組在減少損耗的效果、 節(jié)約成本及工藝可實現(xiàn)性等方面具有很大優(yōu)勢， 用于高效電機的設計生產(chǎn)具有很好的推廣前景。
關鍵詞：高效電機; 損耗; 低諧波繞組。
0 引言
由于電機系統(tǒng)耗電在世界各國均占有相當大的比重，隨著能源形勢的日益緊張，世界各國均開展了電機系統(tǒng)節(jié)能工作。我國電機保有量17 億千瓦，消耗社會用電量的60% ～ 70% ，國家在十二五規(guī)劃中，對節(jié)能減排目標提出了具體要求。本文對影響電機效率的五大損耗進行了系統(tǒng)分析，針對不同損耗的特點提出了具體的措施來提高電機的效率，并進行了相關的試驗研究，總結出了開發(fā)高效電機的方法。
1 高效電機性能分析
1. 1 減小電機損耗的措施與方法
( 1) 減小電機銅耗的措施。
定子側銅耗與定子電流和繞組的電阻有關，常用的方法就是增加繞組截面積以減小繞線電阻，減小電密，這種方法要受到槽滿率等多方面的制衡。所以進行高效節(jié)能電機研制時， 部分規(guī)格放大了沖片外徑， 目的就是增加槽面積可以放下更多的銅線。另外， 還可通過改進繞組的端部設計，減小端部的長度來減小整個繞組的電阻。目前大部分電機都是鑄鋁轉子。銅的電導率要比鋁高，鑄銅轉子的電機理論上轉子損耗可以下降 38% 。采用鑄銅轉子的電機可以極大地提高電機效率。
( 2) 減小鐵耗的措施
減小鐵耗最常用的辦法就是采用磁導率高、損耗低的優(yōu)質硅鋼片。另外， 硅鋼片的厚度是影響電機鐵耗的重要因素之一， 國內(nèi)主流的硅鋼片都是 0. 5 mm 厚， 而 國 外 的 產(chǎn) 品 很 多 開 始 采 用0. 35mm甚至 0. 27mm 厚的硅鋼片。隨著硅鋼片厚度的減小，磁性能也有提升。減小電機的鐵耗除了合理設計電機的磁路外，還要考慮電機鐵心制造工藝的影響。一般硅鋼片加工成鐵心壓入機座后鐵耗大幅度增加， 目前常用的沖片退火工藝是在沖片沖剪之后進行退火處理， 以消除應力， 恢復冷軋硅鋼片的良好性能，對降低鐵耗起到了很好的作用。
1. 2 低諧波繞組技術的研究
定子繞組的形式?jīng)Q定了繞組的基波分布系數(shù)和諧波含量， 對電機性能有較大影響 。經(jīng)常采用的定子繞組形式有單層繞組和雙層繞組， 其中雙層繞組可以采用長、 短距等措施來減小諧波含量。而 低 諧 波 繞 組 可 以 采 用 不 等 繞 組 匝 數(shù)、“△-Y” 串聯(lián)等方式來產(chǎn)生接近正弦的氣隙磁通。對于高效電機， 有必要采用低諧波繞組來改善電機的磁勢波形，從而降低電機雜散損耗。
當 A 相電流達到最大時， 基波磁勢幅值將與A 相繞組的軸線重合。假設某時刻 A 相電流達到最大，即 iA = Im，此時 iB = iC = - 0. 5Im�；ù艅莶ㄐ魏碗娏靼苍巡ㄐ蔚目臻g分布如圖 1所示。
基波磁勢幅值在 A 相軸線即 5 槽和 14 槽中線上; 而電流安匝的幅值在 18 槽-1 槽的中線上。這樣，根據(jù)各槽電流安匝與圖中余弦安匝波一一對應。解這個方程組， 就可以得到各個線圈的匝數(shù)比。據(jù)此，我們編制了基于雙層同心不等匝繞組的電機設計軟件， 專門用于低諧波繞組電機的設計。
2 高效電機設計效果的驗證
2. 1 增加有效材料提高電機效率增加有效材料有兩個方面: 一是增加電機銅、
鋁的用量以減小定、 轉子電阻; 二是采用更高性能材料，如采用高性能硅鋼片以減小鐵耗，采用鑄銅轉子以減小轉子銅耗等。表 1 是 4 臺分別滿足3 級能效和 2 級能效的 45kW-2 電機的損耗及有效材料使用情況。從表 1 中數(shù)據(jù)可以看出，效率的提升主要源于定、 轉子側銅耗及鐵耗的減少， 其中定子側銅耗、 轉子側銅耗和鐵耗平均減少了 20% ～30%。結合表 1 數(shù)據(jù)和這幾臺電機的設計制造過程總結出提高電機效率的主要采取以下措施。
( 1) 增加鐵心長度，增加繞組截面積
45kW 電機 3 級能效到 2 級能效鐵心長從200mm 增加到 230mm，長度增加了 15% 。在滿足同樣磁負荷的情況下， 鐵心長度的增加可以減少電機的匝數(shù)，從而可以增加單匝線圈的截面積， 減少了定子電阻。
( 2) 采用更高性能硅鋼片
采用了單位鐵損更低、 性能更好的硅鋼片， 在鐵心長度增加的情況下，總的鐵耗卻減少了。
( 3) 擴大槽型尺寸，增加銅線和鑄鋁的用量。2 級能效比 3 級能效用銅量增加了 22. 4% ，用鋁量增加了 6. 9% ， 這直接導致了定、 轉子電阻的降低
2. 2 改進工藝提高電機效率
對沖出電機氣隙工藝制作了樣機， 并與普通電機進行了試驗對比， 對比結果見表 2。表 2 中的 4 臺 22kW-4 樣機是按照 2 級 能 效 ( 即 IE3，93% ) 進行的設計， 其中 1 號、 2 號樣機采用的是沖出氣隙， 3 號、 4 號樣機采用的車削氣隙。從表 2中可以看出，1 號、 2 號樣機的雜散損耗大大低于 3 號、 4 號樣機的雜散損耗， 平均低 30% 左右，說明直接沖出氣隙的方法對減少雜散損耗效果明顯。
3 結語
采用單一的手段可能使某幾個規(guī)格電機的效率提高一個效率等級， 但卻很難將整個系列提高一個效率等級。因此高效電機的開發(fā)一定是多種手段并用，從設計、 材料、 結構等多方面入手， 進行全面的優(yōu)化，這樣才能使得各種措施的有效性發(fā)揮到 。以此為指導， 我們逐步開發(fā)出了滿足2 級能效和 1 級能效的高效節(jié)能電機， 為國家的節(jié)能減排做出了應有的貢獻。
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