提高三相异步电动机运行效能的分析与研究

摘 要：在能源日趋紧张的情况下，如何提高效率，节约能源逐渐成为了社会普遍关注的问题。电动机用电量在我国工业用电量中占有相当大的比重，它的效率高低对能源消耗具有重要的影响。本次设计根据通用电机实际情况，就提高电动机效率进行分析，主要包括：电磁优化设计、低谐波定子绕组、铁心材料，通过高效风扇、电机温升及噪声、磁性槽楔对电机性能影响的研究与分析，达到电动机提高效能的目的。

关键词：铁心材料；磁性槽楔；效能

引言

近十几年来，随着世界经济的不断发展，能源的消耗日益增加，世界能源危机问题越来越突出，巨大的能源消耗引起的环境污染问题也日趋严重。我国在“十一五”期间开展了各方面的节能研究工作，重点在工业节能方面。若将电动机的平均效率提高，减少电能的损耗，使得发电量大大减少，从而达到减少能源消耗的目的。我国目前大量使用的Y系列、Y2系列电动机，基本上符合国家标准GB18613-2002中的能效限定值的要求，该电动机的效率等级按照欧盟的标准可达到EFF2级。但比欧盟的高效指标EFF1低2～3个百分点，比美国的NEMAE低5～6个百分点，差距较大。

1 三相异步电动机的结构

三相异步电动机由定子和转子两个基本部分组成。三相异步电动机的定子由机座中的定子铁心及定子绕组组成。机座一般由铸铁制成。定子铁心是有冲有槽的硅钢片叠成，片与片之间涂有绝缘漆。三相绕组是用绝缘铜线或铝线绕制成三相对称的绕组按一定的规则连接嵌放在定子槽中。转子部分是由转子铁心和转子绕组组成的。转子铁心也是由相互绝缘的硅钢片叠成的。铁心外圆冲有槽，槽内安装转子绕组。

2 三相异步电动机效能分析与研究

2.1 电磁优化设计分析与研究

电机设计要讲究各尺寸之间的合理匹配，即根据设计目标要求选择合理的电机尺寸以使电机达最优化设计。对于电动机制造行业，在电动机本身的设计工作中，原材料用量和电机产品本身的性能指标始终是需要很好平衡的一对矛盾。如何在有限的原材料用量，可行又经济的加工条件下，使电动机的各种损耗减小，从而提高其效率指标，一直是电机电磁优化设计的追求目标。电机的优化设计关键建立更加精确的数学模型和谋求更准确的求解途径。由于电机的设计变量不可能是理想的连续变量，其目标函数和变量之间的关系相当复杂，目标函数和约束函数无法用设计变量表达出来，这样的函数往往是多峰值的函数，因而基于传统的方法不能得到全局最优解。于是一些新颖的优化算法，如模糊算法、遗传算法、模拟退火法等智能化算法开始引起国内外学者的广泛重视，而且在电机领域也越来越多被应用，这些算法从理论上可以求得全局最优解。当然，随着计算机技术及优化理论的进步，一些更新的算法或改进的算法正在应用到实际工程当中。

2.2 铁心材料的分析与研究

要降低铁耗，除了增加硅钢片的用量外，铁芯材料的磁性能（导磁率和单位铁损）对电机的铁耗和其它性能影响很大。在较大功率电机中，铁耗在总损耗中已占到相当大的比重。目前，为了实现高效电机计划，各国纷纷在新的材料成分、生产技术、开发精度及生产工艺等方面不断改进，以提高硅钢片材料的性能。日本、美国、法国、德国及俄罗斯都在生产平均损耗P15/50=3.50～5.00W/kg、平均磁感B50=1.72～1.73T的0.5mm厚度规格的低碳、低硅高磁感硅钢片。我国因使用低损耗的硅钢片比较晚，因此硅钢片产品性能与发达国家还有很大差距。现阶段我国高牌号低损耗高性能的硅钢片价格因价格比较昂贵不被用户接受，得不到普及，这既阻碍了我国高性能硅钢片材料的发展，也是导致我国高压电机效率难以得到提高的一大原因。但不管是增加铁芯长，还是采用高性能的硅钢片材料，都会增加电机的制造成本，所以设计电机时要考虑性价比的问题，根据实际要求，合理地选择铁芯材料。

2.3 低谐波定子绕组的分析与研究

在三相异步电动机中，绕组在电机中起着十分重要的作用。绕组磁动势所包含的高次谐波之强弱直接影响着电动机的性能。目前高压电机普遍采用的普通600相带等元件绕组，虽然工艺性好，但存在着不少谐波，影响电机性能。因该绕组具有提高绕组系数、降低杂散损耗、改善电机系能，降低电机温升等优点，因此是应用于高效电动机的一种有效方法。低谐波绕组按绕法不同分为两种型式：双层同心式结构和星-角接混合式结构。前者是通过调配各线圈的匝数比来消除或削弱高次谐波的，后者通过分别选择合理的星接和角接线圈匝数、并联支路数、并绕根数以及线规来消除或削弱高次谐波的。

3 三相异步电动机优化设计

3.1 磁性槽楔对电机温升及噪声的影响

电机的温升主要是由于电机运行时产生的损耗转化为热量引起的，主要包括铁芯温升和绕组温升。由于采用磁性槽楔后，表面损耗和脉振损耗均降低，因此电机的温升会降低，而且磁性槽楔的导热系数比非磁性槽楔高得多，也会引起温升的降低。同样，采用磁性槽楔的电机磁场脉振振幅幅减少，故电机的噪声和振动也会降低，从而延长了电机的使用寿命。

3.2 高效风扇对电机性能的影响

风扇按原理来分有离心式和轴流式。离心式风扇径向气流为主，只能先换成静压后气流改变方向再进入铁芯，这种转换与方向的变化都会引起损耗。而轴流是风扇气流方向与风扇轴线平行，气流直接进入铁芯，因此轴流式效率明显高于离心式风扇。轴流式风扇风压小、风量大，噪声低，适用于大中型高速电机。离心式风扇风压高、风量低，普通高压大中型电机多以离心式风扇为主。离心式风扇根据叶片出口角度分为径向、前倾和后倾。其中径向离心式风扇结构简单，适合双向旋转的电机，实用性比较广，适合各种容量的传动直流和交流电动机。高压三相异步电动机的外风扇目前主要是以径向离心式风扇为主，但是这种风扇最大的缺点效率非常低，不利于电机损耗的降低。前倾和后倾离心式风扇效率比较高，但工艺比较复杂，且电机不可逆转。对于电机风阻较大、要求高风压时，可采用前倾离心式风扇，而对于效率要求高的电机中，适宜采用后倾离心式风扇，该风扇不仅效率高，噪声低，还能兼顾到风压和风量。

4 三相异步电动机降耗方法

通过对上述的铁心材料、低谐波定子绕组的研究与分析，得出三相异步电动机可通过尺寸优化，使用低损耗硅钢片材料并采用新的少槽-近槽配合，在保证经济性的同时，减少损耗，提升效率，达到实现提高电机效能的目的。

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作者简介：陈漫江（1976，3-），女，湖南湘潭，本科学历，工程师。