基于工藝改進的高效電機損耗降低研究

雷奶華

(寧德出入境檢驗檢疫局 福建福安 355017)

1 前言

節能減排已成為我國當前經濟社會發展的一項重要而緊迫的任務，從節約能源、保護環境出發，高效率電動機是目前的國際發展趨勢，美國、加拿大、歐洲相繼頒布了有關法規。歐盟采用的IEC 60034－30標準將電機效率分為IE1(對應eff2)、IE2(對應 eff1)、IE3、IE4(最高)四個等級。2006年我國發布的能效限值標準GB18613－2006《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》，標準參考了歐盟能效標準，從2011年7月1日起我國電機能效執行該標準中的能效2級。推廣中國高效率電動機是非常有必要的，這是產品發展的要求，使我國電動機產品跟上國際發展潮流，同時也有利于推進行業技術進步和產品出口的需要。

2 高效電機能效的檢測

效率是以同一單位表示的輸出功率與輸入功率之比，輸出功率等于輸入功率減去總損耗，總損耗主要由定子銅耗Pculs、鐵耗PFe、轉子銅耗Pcu2s、雜散耗Ps以及機械耗Pfw五部分組成。高效電機的檢測采用的是GB1032中的B法，即損耗分析及輸入－輸出法間接測量雜散損耗。相對于E法，B法對電機檢測儀器提出了更高的要求，互感器和轉速測量儀要求的準確度等級從0.5級提高到0.2級。從根本上來說，B法為測量輸入－輸出功率的損耗分析法，而E法為損耗分析及測量電功率法;B法采用的是使用轉矩測量裝置，根據測試結果求取負載雜散損耗值，而E法不測量轉矩，采用推薦的負載雜散損耗值(通常是0.5%);B法通過測量輸入輸出的轉矩來分析損耗，而E法主要是通過電流和電阻進行計算得出。相當于B法是直接測量電機的真實輸入－輸出情況進行分析損耗，而E法采用等效電阻進行損耗分析，對損耗采用的測功機上的空載和負載試驗完成?？蛰d試驗主要檢測出鐵耗和機械耗，而負載試驗主要檢測定轉子銅耗和雜散耗。提高高效電機的效率必須要降低電機的各種損耗。

3 基于工藝改進的損耗降低

3.1 降低定子銅耗工藝

定子銅耗是電機損耗的一個重要部分，根據定子銅耗的計算公式Pculs=1.5I12Rs，其中I1為負載狀態下測得線電流，RS為換算到規定溫度的定子繞組值。定子銅耗是由負載狀態下測得的線電流與基準溫度下的定子繞組值決定的，要降低定子銅耗就要減小定子繞組的值和負載電流。降低定子銅耗可采用的工藝措施主要有如下:(1)改進沖片工藝。中小型電機沖片都是用沖床沖孔工藝制造，經沖剪加工的邊緣由于彈性變形產生內部應力，導致硅鋼片的磁性能降低，使定子銅耗增加。消除硅鋼片沖剪后產生的沖剪應力，通?？蛇x擇合適的退火處理工藝。目前很多小型的電動機已經開始采用高速沖床，高速沖對硅鋼片的變形影響小，不用退火工藝就能很好地滿足要求［1］;(2)提高疊片質量。嚴格保證槽形尺寸，保證疊片整齊，能有效減少齒外脹，保證硅鋼片表面的絕緣層。沖剪片后產生的毛刺使疊壓系數降低，鐵心齒部彈開度大于允許值，定子齒、軛的截面積減小，形成的定轉子磁通密度增大，從而造成定子電流大，定子銅耗大，效率低;(3)優選低電阻率電磁線。電阻率低的電磁線，用于相同定子生產中將會有效地降低定子繞組值，從而降低定子銅耗。中小型電機電磁線的選擇除性能指標符合標準 GB/T4074－2008(等同采用IEC60851)，電阻率一定要低，最大限度的降低定子銅耗。通常較好的銅漆包線，室溫下電阻率一般小于0.017Om為宜。

3.2 降低機械耗工藝

機械耗的產生主要由通風損耗、軸承摩擦損耗、密封圈摩擦損耗以及轉子不平衡和裝配偏心引起，在檢測中通常也稱為風摩耗，采用空載試驗進行求取，在不同負載下的風摩耗基本上是相同的。降低機械耗主要依據:(1)轉子平衡控制?？刂妻D子機械平衡是降低機械耗必不可少的工藝。轉子的平衡主要有靜平衡與動平衡兩種。靜平衡的轉子在電機負載運行時不一定動平衡，但動平衡的轉子一定會靜平衡。所以中小型電機轉子僅校靜平衡是不夠的，由于轉子速度較高，必須校動平衡［2］;(2)裝配偏心控制。生產加工時容易產生變形，而在裝配時精度要求又較高，從而造成裝配偏心增大機械耗。一方面定子壓鑄時盡可能采用熱套的工藝，用感應加熱器使機殼受熱膨脹，而后壓入定子，熱套工藝的使用可以在一定程度上減小壓定子產生的機殼變形和裝配偏心。另一方面采用硬度較好的合金端蓋，并盡可能用外接鏍栓來固定以減少偏心的可能。在車前后端蓋止口時采用合理的工裝，使其在加工時不容易變形，以尋找較好的精度;(3)降低摩擦產生的損耗。一是軸承外圈與軸承室的配合，并盡量采取中間公差，加強形位公差的控制，其徑向間隙宜在3－9μm的范圍內;二是為消除轉子的軸向間隙，必須對軸承施加適當的壓力，一般選用波形彈簧墊圈或三點式彈性墊圈，且以放在軸伸端為宜;三是選用優質低摩擦軸承、摩擦阻力小的潤滑脂、密封圈，降低摩擦損耗［2］;四是零部件尺寸采用中間公差及提高形位公差精度。

3.3 降低雜散損耗工藝

負載雜散損耗是指總損耗中未計入定子銅耗、轉子銅耗、鐵耗及機械耗之和的那一部分損耗。降低雜散耗采用的工藝措施主要有:(1)采取轉子表面熱處理工藝。適當增加鑄鋁轉子與鐵心間的表面接觸電阻，可有效降低雜散耗。通常采用沖片氧化處理法、脫殼處理法、轉子表面燒焙法、堿洗法或轉子槽絕緣處理等方法進行處理。最經常采用的是燒焙法，也就是采取轉子表面熱處理工藝。國外有一些生產廠家在鑄鋁前將轉子浸入硼沙液中，在槽內形成涂層，有效降低雜散損耗，但成本較高。國內中小型的高效電機制造廠采用轉子脫殼工藝來降低雜耗;(2)減小槽口寬。中小型電機開槽將使氣隙磁導不均勻，導致表面損耗大，在生產中采用磁性槽楔相當于縮小槽口寬，能有效削弱齒槽效應，降低了定、轉子齒內的平均磁密，降低勵磁電流減小雜散耗。對于低壓中小型電機磁性槽楔受尺寸限制，工藝上很難實現［3］，再加上如果定、轉子一次沖成，氣隙不另外加工，工藝難度較大。在實際生產中可以適當地減小槽口寬，再采用磁性槽楔，能有效提高效率并可以減小溫升;(3)應用斜槽。精確控制斜槽度，應用特殊斜槽，高次諧波磁場產生的附加轉矩和齒諧波大大削弱，異步電動機轉子均應采取斜槽措施。目前在生產中 斜槽有兩種形式，一種是導條沿轉子圓周扭斜一個角度;另一種是“人字形斜槽”，導條對稱于鐵心中線沿圓周向同一方向扭斜一電角度［3］;(4)調整電磁設計方案，選用合理槽形、槽配合，采用“正弦”繞組以削弱合成磁場中的高次諧波，削弱雜散附加損耗。

3.4 降低鐵耗工藝

鐵耗和風摩耗(機械耗)在檢測的過程中由電機的空載試驗來確定，鐵耗通?？倱p耗的20%左右，在定子或轉子鐵心中產生的磁滯損耗和渦流損耗組成，通常情況下轉子鐵心損耗很小，忽略不計。降低鐵耗可采取如下措施:(1)合理選擇硅鋼片牌號。定子電流對定子銅耗影響最大，電流增大是導致定子銅耗大幅度增加的一個主要原因。高導磁、低損耗的導磁材料是高效率電機的設計基礎。高效電機硅鋼片的合理選擇尤其重要，小功率電機因空載電流占滿載電流的比例較大，所以應考慮采用導磁性能好的硅鋼片，這樣在相同磁通密度下，產生激磁電流較小，定子電流的無功分量少，功率因數提高，定子電流小，定子銅耗少;(2)減少基波鐵損耗的工藝。上調整槽形尺寸，選用合理的磁密，減少基波鐵損耗，盡可能的情況下提高槽滿率，壓縮繞組端部長，槽滿率的提高，可有效降低基波鐵耗損，槽滿率對線圈的繞嵌提有了較高的要求［4］;(3)采用較薄冷軋片或無硅鋼片。盡可能的情況下采用低損耗的優質冷軋片，采用較薄硅鋼片，減少電機的渦流從而減小鐵損耗，很多小電機的制造可采用無硅鋼片，其磁感應力很強，但沖片要求的速度和工藝都有非常高的要求，要進行數控高速沖才能生產出滿足要求的定子。

3.5 降低轉子銅耗工藝

轉子銅耗檢測中，由等效電阻來計算得出，Pcu2s=(P1－ Pculs－PFe)·Ss，其中 Ss為規定溫度下的轉差率，降低轉子銅耗主要是要降低等效電阻值。

降低轉子銅耗可采取如下措施:

(1)采用銅轉子或是純度較高的鑄鋁。選用純度99%以上的鋁，可有效降低鋁的電阻率，或是直接采用銅轉子，由于銅轉子的電阻率比鋁低很多，大大降低轉子等效電阻值以減少轉子銅耗;(2)提高鑄鋁轉子的質量，避免細條、斷條和縮孔等制造缺陷，采用超聲波無損探傷對鑄鋁轉子的質量進行檢測，避免不合格鑄鋁轉子部件流入下道工序［5］;(3)設計時盡量增大轉子槽形，加大導條和端環截面積，降低轉子電阻。

4 實例

在工廠生產車間中選定1臺機座號為90的樣機 MS90S－2，輸出功率為1.5kw，按 GB1032－2005《三相異步電動機試驗方法》對樣機進行檢測，其效率為82.99%。改進電機生產工藝，采用相同的硅鋼片，但是進行高速沖，提高疊片質量，并按3.2與3.4要求的工藝提高轉子平衡，嚴格控制裝配偏心，對生產工藝改進前后的樣機進行檢測，所得到的各種損耗和效率如表1所示。改進工藝后樣機檢測的負載曲線和空載曲線如圖1和圖2所示，樣機的效率增加為86.31%，效率提高了近4個點多。其中定子銅耗和鐵耗減小最為明顯，銅耗減小了近1/3，鐵耗減小了1/4。硅鋼片的沖片和轉子平衡對定子銅耗成效明顯，但雜散損耗幾乎沒有變化，也即是說降低雜散損耗應該在設計上多下功夫才能成功。

5 結語

在高效電機效率的提高中，通常采用的改進工藝為提高鐵心的制造質量、保證裝配的同心度、控制轉子平衡以及減小摩擦。在降低電機總損耗上，主要是針對定子銅耗、鐵耗和機械耗進行電機生產工藝的改進，而轉子銅耗和雜散耗的減小更多地應該改進電機的設計，選擇良好的硅鋼片，增加鐵芯長度以及提高轉子質量等。在樣機設計和生產工藝同共進步下才能有效地提高高效電機的效率水平，達到更加節能的目的。

表1 工藝改進前后的損耗檢測

圖1 工藝改進后負載檢測曲線

圖2 工藝改進后空載檢測曲線

［1］ 賀勝強.提高小型電機效率的方法［J］.防爆電機2010，5:38－40.

［2］ 雷奶華，溫韻光.淺析鋁殼電動機的機械噪聲［J］.電機技術，2008，3:54 －56.

［3］ 梁寶貴.超高效電機效率實現途徑之探討［J］.電機技術，2010，4:39 －42.

［4］ 程岷沙.電機磁噪聲的控制［J］.重慶工業高等?？茖W校學報，2001，16(2):59 －61.

［5］ 尤中平，談緯紅.降低鋁殼電動機噪聲的實用方法［J］.電機技術，2008，3:57 －58.