低效异步电机再制造的仿真研究

莫以为，陈建波

（广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004）

1 引言

再制造是利用专业的修复工艺或升级改造的技术手段，在原有废旧机器设备的基础上，将其再制造成具有品质特性高于原先新品水平的一系列工程活动[1]。电机的再制造被定义为通过重新设计以及替换部分失效或超过服役周期以及影响能量转换效率的零部件的方法与手段，针对废旧低效电机进行升级的再制造，使得再制造电机成为具有功率相同或功率不相同的高效率等级电机，或者能够匹配于某些特殊场合或特殊工况条件下的系统低能耗电机[2]。2014年，工信部公布了高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录，其中包含Y、YB系列等电机300余项，大批量淘汰的旧电机可以作为再制造毛坯开展升级再制造工程[3]。因此实施低效废旧电机的再制造工程对推进节能减排工作、资源回收再利用意义重大。以一台Y系列电机为再制造研究对象，基本参数，如表1所示。为了减少再制造成本，留用转子、转轴、机壳和轴承端盖等部件，对定子铁心改用低铁损耗的无取向冷轧硅钢片进行了替换，并对定子槽型进行了优化，定子绕组重新再设计，最终使其效率达到规定的能效等级，其他性能指标也能满足工作使用要求，为电机的再制造提供了参考设计方案。

表1 电机参数Tab.1 Parameters of Motor

2 电机模型建立及其损耗分析

为了节约计算机资源和计算时间成本，利用有限元数值分析（FEA）软件建立了二分之一电机模型。建立的原电机有限元分析模型，如图1所示。电机在正常工作过程中会产生一定的损耗，从而影响了能量的转化效率，电机效率的高低取决于功率损耗的多少，要使电机的机电能量转化效率得到提高，就要降低电机运行中产生的各项损耗。所研究的电机中各项损耗所占的百分比例值分别为，定子铜耗32.1%，转子铝耗21%，定子铁心损耗18.8%，机械损耗11.9%，杂散损耗16.2%。由于在进行再制造时保留了电机的转子，转子铝耗的减小幅度会有所限制，因此要提升电机的工作效率，就必须在再设计阶段减低电机定子部分的铁耗、绕组的电气损耗，附加损耗以及从制造工艺方面减小机械损耗入手。

图 1电机有限元分析模型Fig.1 Finite Element Analysis Model of Motor

3 电机再制造方案的设计

3.1 定子铁心的替换

铁心损耗是通过磁滞、涡流损耗构成[4]，由于这部分损耗将会转化为铁心的热能，致使电机整体的温升增大，运行效率降低，因此应在再制造设计阶段要尽可能的减小电机的铁心损耗。当在额定工况下运转时，由于感应电机转子部分中磁通在单位时间中的变化率比较缓慢，从而引起转子的铁损耗数值相对微弱，因而可以不予考虑计入。硅钢片材料能够作为电机实现机电能量转换的关键材料，一般可以选用电磁性能优良的硅钢材料，其具有铁损值较小的特性，使得电机铁心损耗能够得到有效降低。其中基本铁耗的数学计算公式如下[4]：

式中：GFe—变化磁场作用的硅钢质量；Ka—经验系数；Phe—硅钢材料的损耗系数，通常按下式计算：

式中：P15/50—当B=1.5T，f=50赫兹时，每公斤硅钢质量中所产生的功率损耗，其数值通常可以根据硅钢片的牌号在材料手册中即可查得。通过上述的表达式分析可以看出，在频率不变的前提下，基本铁耗的大小，取决于钢片的铁损值等重要指标，薄厚以及磁密等。另外，铁心的叠压制造技术水准和加工方式对其也有不可忽略的影响[4]。

将原旧电机定子铁心DR510-50硅钢替换为具有优质电磁性能的冷轧硅钢50WW270，并且保持与原铁心几何尺寸和结构相同[5]。两种不同铁心材料的性能比较，其中电磁性能可以通过磁感以及铁损等参数值来表征，如表2所示。对比表2中所给两种材料具体的性能参数值，与此同时结合对图2所示的两种硅钢材料的损耗曲线进行分析，可以看出与原电机的硅钢DR510-50的铁损值相比较，新硅钢50WW270的铁损值等其他参数具有突出的性能优势，通过上述的数学表达式（1）可知，定子铁心的损耗将会有显著的下降，从而使得电机的运行效率得到明显提升，同时也会降低由功率损耗所引起的热量，电机运行的可靠性也得到进一步增强。

表2 两种硅钢材料的性能比较Tab.2 Performance Comparison of Two Kinds of Silicon Steel Material

图2 损耗曲线对比Fig.2 Comparison of Loss Curves

磁化曲线对比，如图3所示。通过对图3中所展示的磁化曲线分析可得，由于原旧电机铁心硅钢的磁导率属性显著的小于新电工钢50WW270的数值，也就表明了在产生大小相同的感应电动势的条件下，新硅钢片电机比原电机所需的激磁绕组电流能够明显的减小[6]，可以直接有效的降低定子绕组产生的损耗，进而也就实现了对电机能量转化效率的提升。

图3 磁化曲线对比Fig.3 Comparison of Magnetization Curves

电机损耗的计算值，如表3所示。由表3中可知，原电机定子铁心被替换后，定子铁心的损耗和定子绕组的焦耳损耗均所有下降，其中铁耗的降低幅度较为显著，同时铁耗显著下降原因的理论分析也得到了验证。此外，可以根据实际设计需求，为了更进一步的提升再制造电机能效，可以采用牌号更高的优质硅钢材料制造铁心。

表3 电机损耗计算值的对比Tab.3 Comparison of Calculated Values of Motor Losses

3.2 定子绕组的设计

绕组其实相当于电机的心脏，这就意味着绕组对电机的性能具有至关重要的作用，对原电机进行再制造时可设计低谐波绕组。低谐波绕组指的是谐波含量和成份非常低的一种绕组，通过对各定子槽线圈匝数进行合理的调配处理，使得定子磁势沿圆周方向表现为正弦分布，可以将有害谐波含量最大程度地被削弱，能够降低附加损耗，使得铁心和绕组中由损耗引起的热量有所降低，因而提高了电机的效率，同时改善了其他的性能指标[7]。通过设计低谐波绕组来替代原电机的绕组，并适当提高了线径，以此来降低损耗、提升效率，实现了对旧电机能效提升的再设计[5，8]。

为了重新再设计原电机的定子铁心绕组，根据相关文献中给出的低谐波绕组的设计理论，然后通过对绕组的形式，线圈匝数以及线规进行合理调整，而对电机的其余结构参数不进行改变。基于参考文献[7]中所展现的理论与设计方法，即N1：N2：N3=1.27：1.879：1，可作为电机的每极每相各线圈最佳的匝数分配比，考虑到实际的再设计要求，最后分别将13、20和6确定为新绕组电机的线圈匝数。原电机的绕组系数计算式可表示为：

式中：β—节距比；q—每极每相槽数；α—邻槽电角度；β—节距比；ν—谐波次数。

低谐波绕组电机的绕组系数计算式[7]为：

式中：Nn—不同线圈匝数；βn—不同线圈节距比。

经过以上分析与计算，再设计前后不同电机不同次谐波的绕组系数，如表4所示。分析表4中的数据可知，尽管低谐波绕组的基波系数相比较于原电机略微有些减小，然而可以清楚地看出其余的各次谐波绕组系数的降幅相对明显，也就意味着由谐波磁场引起的电机附加损耗会被降低，转子部分中由谐波引起的功率损耗也会被减弱。此外，与原绕组跨距相对比，低谐波绕组具一定优势，其平均跨距小，而且具有较为紧凑的绕组端部[7]，意味着绕组损耗也会降低。因此电机的机能转化效率也会相应提高。

表4 不同类型的绕组系数Tab.4 Different Types of Winding Coefficient

3.3 定子槽型的优化

为了进一步提高电机的效率，对定子槽型尺寸进行优化[9-10]。定子槽型尺寸的改变会影响电机的铁损耗和杂散损耗，设计合理的槽型尺寸不但可以降低加工工艺的难度，同时增进电机效率和功率因数[10]。田口方法（TaguchiMethods）是一种局部优化的算法，具有实验次数少，快速简捷，实验成本低的等优点。在进行多目标优化设计问题时，利用建立的正交实验表安排实验条件和方法，能够很快的明确出最佳或最优的设计参数组合[11]。为了分析在不同定子槽型参数组合条件下对电机效率的影响情况，构建实验了正交表（OrthogonalArray），通过对槽型的各个参数开展了Taguchi实验设计，确定了实验中的参数变量，其中，BS1—槽的宽度；HS1—槽斜肩的高度；BS2—槽底的直径 ；HS0—槽口的高度；HS2—槽的高度；BS0—槽口的宽度。建立了L25（56）正交表，其中，25表示总的实验次数，5表示水平数，6表示因子的个数，每种因素分别取5个水平，其取值范围应该要适宜于实际的加工工艺水准，各个因素和所选取水平，如表5所示。其中，各个因素的正交实验的配置以及实验的计算结果，如表6所示。

表5 因子的水平表Tab.5 Factor Level Table

表6 正交试验与实验结果Tab.6 Orthogonal Test and Experimental Results

方差是描述数据与其数学期望之间的差异或分散程度的量，通过进行方差分析可以得出各参数变量的改变对该优化目标结果的影响情况，方差分析中的离差平方和的计算表达式如下：

式中：m—各因子；l—各因子水平数；Yi—第i次实验结果值；n—试验的次数；Kj（m）—m在j水平上实验值的总和；Sm—m因子的实验指标的离差平方和。

经上述计算与分析结果，如表7所示。由于方差的分析能够为设计变量的选择提供了方向，为了缓解对计算资源的占用，通过减少设计变量，降低工作量，因此可以参考将定子槽型的优化设计变量确定为槽口宽度BS0、槽宽BS1、槽高HS2、槽底直径BS2等这个4个因素。

表7 各参数对目标值的影响及方差Tab.7 Effects of Parameters on Target Values and Variance

经过优化之后，得到了电机槽形最终优化方案的各参数值，BS0为3.1mm，BS1为 6.8mm，HS2为13.9mm，BS2为 10.1mm。相比于优化前，优化后电机的效率提高了0.17%。为此按照上述设计方案对电机进行改造后，经计算得到了电机主要性能，如表8所示。可以看出，经此方案改造后的再制造电机，效率提高了2.04%，提升至91.04%，达到了国家规定的能效3级标准，电机的其他力能指标也相应有了改善。对再制造电机进行了有限元数值分析后，如图4所示。表示的是其在稳态条件下的磁通密度云图。

表8 电机性能对比Tab.8 Contrast of Motor Performance

图4 再制造电机的磁密云图Fig.4 Magnetic Cloud Map of the Remanu Facturing Motor

4 结语

用结构相同的新硅钢铁心替换原电机定子铁心后，显著地降低了定子铁耗，因此在节能方面将此类优质硅钢材料应用于电机的再制造具有很大的优势。通过对绕组的再设计，实现了对各次谐波绕组系数的减小，有效削弱了谐波磁场产生的能量，从而降低了杂散损耗。依照此设计方案，最终使得再制造电机的效率提高至91.04%，符合了GB18613-2012标准中能效等级3级的规定，且其他性能也有相应的改善，同时能够满足正常工作的使用要求。