YE3系列三相异步电动机能效达标措施

陈兆先　李学生　申保金　杨丽斐

(中钢集团安徽天源科技股份有限公司)

电动机拖动空压机、水泵、机床、风机等各种旋转机械设备，在我国工业、农业、交通、家用电器等领域应用十分的广泛。电动机消耗的电能占全国用电量的大部分。据统计测算，2011年我国各类电动机保有量约为17亿kW，总耗电量约达3万亿kWh以上，约占全国用电量的64%[1]。随着能源形势和环境问题的日益严峻，我国开展了节能减排工作，国家在十三五规划中对节能减排提出了具体要求。实现节能减排可从电动机入手，电动机未来将朝着高效节能的方向发展，用YE3系列高效三相异步电动机代替传统的高能耗电动机，不但能降低企业用电成本，还能促进节能减排工作的开展，意义重大。

1　选择合适的冲片槽型

三相异步电动机的定子铜损耗Pcu1约占总损耗的28%，主要是电机运行时定子绕组的电阻损耗。定子铜损耗的计算公式为[2]：

(1)

式中，I1为定子电流；R1为绕组的直流电阻。

直流电阻计算公式为[3]：

(2)

式中，l为绕组导体的长度；Ac为绕组导体的截面积；ρ为绕组导体材料的电阻率。

由公式(1)和(2)可知，定子铜损耗与定子电流和绕组的直流电阻有关。绕组的直流电阻与绕组导体的截面积成反比、与绕组导体材料的电阻率和绕组导体的长度成正比，因此可通过采取增加绕组导体的截面积减小绕组的直流电阻。绕组导体的截面积的增加，会导致绕组的槽满率增加，槽满率过高不利于嵌线，这时需要放大原来的槽型，将槽满率维持在一个最佳值。绕组导体的截面积增加，将使定子电流密度降低，绕组温升与原来相比会减小，而绕组导体材料的电阻率随着温度升高而增大，绕组的直流电阻将会随着绕组温升减小而减小，因此增大绕组导体的截面积，可减小绕组的直流电阻，进一步降低定子铜损耗，最终提高三相异步电动机的效率。

YE3系列高效三相异步电动机从H80到H355机座号有上百种规格，如果将YE3系列高效三相异步电动机所有冲片模具都开出来，即使开的是复合模，也要500～600万元，对于中小型电机厂来说投入太大。为了减少开模费用的投入，可借用已有的国标系列冲片槽型来设计YE3系列高效三相异步电动机。有很多专业生产铁心的厂家把国标Y2、YX3、YB3系列全套定转子冲片模具已开好，在订购铁心时，只要指定好已有的冲片槽型、铁心材质以及铁心的长度即可，不需重新开模具。通过分析Y2系列、YX3系列、YB3系列定转子冲片的槽型，得出YB3系列槽型最大、YX3系列其次、Y2系列最小。对这3个系列定转子冲片槽型分别进行了电磁计算及样机试验，经过电动机成本和效率对比，得出YX3系列电动机槽型最适合做YE3系列高效三相异步电动机的槽型。

2　控制生产工艺

(1)减小绕组端部的长度。由式(1)和(2)可知，定子铜损耗与绕组导体的长度成正比，定子绕组端部长度占绕组总长度的1/4～1/2，这样端部直流电阻值将占总电阻值的1/4～1/2，在实际生产过程中通过优化绕线模具，减少绕组端部长度，可减少绕组直流电阻，从而进一步减少定子铜损耗，提高三相异步电动机的效率。

(2)控制好定转子铁心错位尺寸。三相异步电动机的定子铁心和转子铁心错位，等效为定转子铁心长度减小，定转子铁心长度减小，使磁通密度增加，引起励磁电流增大，功率因素降低，最终使电动机的定子电流增大，定子损铜耗增加，效率降低。为了使YE3系列高效三相异步电动机效率达标，必须缩小定、转子铁心错位尺寸。有绕组定子铁心压入机壳的尺寸比较容易控制，不需考虑原来电动机轴采用的光轴，在热套时铸铝转子的热套尺寸不易控制，为控制好铸铝转子的热套尺寸，制造一些专用的限位工装，这样便可缩小定转子铁心错位尺寸。

3　控制冲片的材质

铁损耗约占总损耗的22%，主要为铁心中因主磁通交变引起磁滞损耗及涡流损耗，常按下式计算基本铁损耗PFe[4]：

(3)

式中，P1.0/50为当B=796.17 kA/m、f=50 Hz时，硅钢片单位质量内的损耗(W/kg)；B为铁心磁通密度；f为磁通交变频率；GFe为受交变磁化作用的硅钢片质量；K为经验系数，考虑铁心加工、磁通密度分布不均匀等因素使铁损耗增加的修正系数。

通过公式(3)可知，三相异步电动机的基本铁损耗与铁心所用材料的单位损耗、铁心磁通密度、受交变磁化作用的硅钢片质量有关。YE2系列三相异步电动机在设计时采用的是50DW600硅钢片，在设计YE3系列高效三相异步电动机时，为了降低铁耗，应选择单位质量铁损值更低的硅钢片。

根据定子铜损耗计算公式(1)可知，减小定子电流可减少绕组铜损耗。由电机学理论可知：定子电流可以分解为负载电流和励磁电流，负载电流产生轴上的功率和各种损耗，励磁电流产生磁通。YE3系列高效三相异步电动机硅钢片的合理选择尤其重要，在设计高效电动机时，应考虑采用导磁性能好的硅钢片。B50表示的是磁化场为5 kA/m时的磁感应强度，其值为硅钢片的导磁能力，硅钢片的导磁能力越强，在相同磁通密度下，B50值越大，产生激磁电流越小，定子电流的无功分量少，功率因数提高，定子电流小，定子铜损耗少。P1.5/50表示当B=1 194.27 kA/m、f=50 Hz时，硅钢片单位质量内的损耗，在相同磁通密度和磁通交变频率下，P1.5/50值越小，铁心的铁损耗越低。

硅钢片国标性能参数与钢厂实际值相差很大，国标[5]规定50DW470的P1.5/50值为4.7 W/kg，B50值为1 305.73 kA/m，例如武钢生产的50WW470硅钢片P1.5/50值为3.25 W/kg，B50值为1 353.50 kA/m。武钢生产的硅钢片的铁损值比国标值小了30.85%，武钢生产的硅钢片的磁感应强度大了3.66%。因此，在采购铁心时，不但要指定硅钢片的牌号，还要将硅钢片的铁损值P1.5/50和磁通密度值B50做出明确规定。

4　确定定转子铜损耗、风摩损耗和温升三者之间的最佳关系

定转子铜损耗随电动机温升升高而增大，而电动机的温升随着电动机风扇加大而减小，电动机风摩损随着风扇加大而增大，在原来YX3系列三相异步电动机设计过程中，通过减小风扇尺寸，来减小风摩损耗的方法，在YE3系列三相异步电动机的设计中不一定适用。为了提高电动机的效率，必须确定好定转子铜损耗、风摩损耗和电动机风扇大小三者之间的最佳关系。为此，在YE3系列高效三相异步电动机能效达标的过程中，进行了一系列对比试验，研究三相异步电动机的效率和温升、风摩损耗之间的关系。

Y2系列风扇的直径和叶片面积都比YX3系列风扇大，为了研究电动机的效率和温升、风摩损耗之间的内在联系，用YE3-90S-6、YE3-90L-2、YE3-100L2-4、YE3-112M-2、YE3-132S1-2、YE3-160L-6、YE3-180M-4、YE3-280M-6分别安装YX3和Y2的风扇进行型式试验，具体试验数据见表1。

由表1可知，YE3-90S-6、YE3-90L-2、YE3-100L2-4使用Y2风叶的效率比使用YX3风叶的效率分别提高了0.81、0.67、0.45个百分点。YE3-112M-2、YE3-132S1-2、YE3-160L-6、YE3-180M-4、YE3-280M-6使用Y2风叶的效率比使用YX3风叶的效率分别下降了0.23、0.27、0.17、0.19、0.16个百分点。YE3-90S-6、YE3-90L-2、YE3-100L2-4三款电动机使用Y2系列风叶，虽然风摩损耗增大了，但随着温升下降定转子铜损耗也下降，这三款电动机定转子铜损耗下降幅度，要大于风扇增大引起的风摩擦损耗的增量，所以最终效率得到了提高。相反YE3-112M-2、YE3-132S1-2、YE3-160L-6、YE3-180M-4、YE3-280M-6五款电动机定转子铜损耗下降的幅度小于风扇增大引起的风摩损耗的增量，所以最终效率下降。综上所述，YE3系列高效三相异步电动机H112以下机座号采用Y2系列风叶，H112及以上机座号采用YX3系列风叶。

表1　YX3风扇和Y2风扇的对比试验

5　降低杂散损耗

三相异步电动机除定转子铜损耗、铁损耗、风摩损耗以外的损耗统称杂散损耗，杂散损耗主要有由负载电流引起的气隙谐波磁通，在定转子铁心中产生的表面损耗和脉振损耗、转子感应谐波电流产生的损耗、斜槽笼型转子导条间横向电流损耗等[2]。杂散损耗与定转子之间气隙的1.5次方有关，随着气隙的增加而减小。因此，可以通过放大定转子之间的气隙来减少三相异步电动机的杂散损耗，进一步提高三相异步电动机的效率。但是三相异步电动机气隙放大会使其励磁电流和空载电流增大，而功率因素正比于空载电流和额定电流之比，随着气隙的放大，功率因素会减小，最终引起定子电流增加，电流增加以后定子铜损耗又升高，并且对杂散损耗还有一定的负面影响。在放大气隙的同时，要综合考虑各参数之间的变化。

为了验证适当的放大气隙，可减小三相异步电动机的杂散损耗，进一步提高三相异步电动机的效率，采用6个规格的三相异步电动机，分别在放大气隙前和放大气隙后进行了型式试验，具体数据见表2。通过表2可以得出，适当放大气隙可以降低三相异步电动机的杂散损耗，可进一步提高YE3系列高效三相异步电动机的效率。

6　结　语

在YE3系列高效三相异步电动机的能效达标工作过程中，通过样机的试制和关键性技术的研究，确定了最适合做YE3系列高效三相异步电动机的定转子冲片规格、牌号、槽型，确定了YE3系列高效三相异步电动机风扇类型，确定了YE3系列高效三相异步电动机定转子之间的气隙尺寸，为生产能效达标的全系列YE3系列高效电动机探索出了最佳的工艺条件。

表2　不同气隙对电动机杂散损耗影响的试验

[1]游梦娜.电机系统节能技术[M].北京：中国电力出版社，2013.

[2]黄国志，傅丰礼.中小型旋转电动机设计手册[M].北京：中国电力出版社，2014.

[3]戴文进，张景明.电机设计[M].北京：清华大学出版社，2012.

[4]陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，2012.

[5]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 2521—2008冷轧取向和无取向电工钢带(片)[S].北京：中国标准出版社，2008.