超高效率三相異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)分析

超高效率三相異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)分析摘要：本文主要從電機(jī)特性分析、電動(dòng)機(jī)系列主要內(nèi)容的考慮等方面展開(kāi)討論，探討了"三相異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)〃的主題，旨在與同行探討學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步。關(guān)鍵詞；二相異步電動(dòng)機(jī)；超高效率；鑄銅轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)主要包括效率、功率因數(shù)、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)、最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、溫升、振動(dòng)、噪聲等。鑄銅轉(zhuǎn)子超高效率二相異步電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱銅轉(zhuǎn)子電機(jī)）在保證效率達(dá)到IE3超高效率技術(shù)水平的同時(shí)，還要保證其他技術(shù)指標(biāo)符合常規(guī)二相異步電動(dòng)機(jī)的要求，使電動(dòng)機(jī)處于良好的工作狀態(tài)。本文通過(guò)對(duì)銅轉(zhuǎn)子電機(jī)與鋁轉(zhuǎn)子YX3系列（GB/T22722—2008）電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)輔以典型樣機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，以求確定符合銅轉(zhuǎn)子超高效率三相異步電動(dòng)機(jī)特性的合理的技術(shù)指標(biāo)。近期，云南銅業(yè)壓鑄科技有限公司與南陽(yáng)防爆集團(tuán)股份有限公司、上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司就鑄銅轉(zhuǎn)子超高效率二相異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)開(kāi)展了合作，結(jié)合樣機(jī)的試制情況，編制完成了YBZT系列隔爆型鑄銅轉(zhuǎn)子超高效率三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件和YZTE3系列鑄銅轉(zhuǎn)子超高效率二相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。1電機(jī)特性分析在設(shè)計(jì)過(guò)程中，保持電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心三圓尺寸不變，僅對(duì)鐵心槽形和長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化。這樣可以最大限度地利用現(xiàn)有機(jī)座號(hào)的三相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)座、端蓋和軸承等零部件，節(jié)約了研發(fā)、生產(chǎn)成本。為了分析電機(jī)各參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響，首先從圖1所示的三相異步電動(dòng)機(jī)的等效電路圖人手,對(duì)電機(jī)效率和堵轉(zhuǎn)電流和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行分析。在其余條件不變的情況下，采用鑄銅轉(zhuǎn)子后僅對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻產(chǎn)生影響，按照電機(jī)設(shè)計(jì)的方法,在計(jì)算得到圖1中相關(guān)參數(shù)后，在轉(zhuǎn)子槽形不變的情況下計(jì)算得到該電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻分別為,R2AI=0.290,R2Gn=0.115，代人式（1），式（2,計(jì)算得到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)差率曲線和電流轉(zhuǎn)差率曲線分別如圖和圖所示。從圖2,圖3,可以直觀地判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子材料由鑄鋁改為鑄銅材料后,堵轉(zhuǎn)電流增大，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩減小。但在采用等效電路進(jìn)行分析時(shí),由于忽略了堵轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)差率大而造成的轉(zhuǎn)子電阻增加，以及堵轉(zhuǎn)時(shí)電抗的變化，因此該分析結(jié)果僅能作為電機(jī)設(shè)計(jì)的定性參考?？紤]到采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法調(diào)整電機(jī)鐵心參數(shù)得到的設(shè)計(jì)結(jié)果誤差較大（在槽形復(fù)雜時(shí)更為明顯），因此下面將采用有限元方法對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)調(diào)整參數(shù)后的電機(jī)性能進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。電動(dòng)機(jī)系列主要內(nèi)容的考慮基于以上原因，開(kāi)發(fā)超高效率電動(dòng)機(jī)已顯得非常必要。隨著電動(dòng)機(jī)效率的不斷提高，在降低電機(jī)損耗的措施研究方面，銅與鋁相比所具有的良好導(dǎo)電性，引起了人們的高度重視。開(kāi)展鑄銅工藝研究來(lái)替代鑄鋁轉(zhuǎn)子已成為提高電動(dòng)機(jī)效率的有效措施之一。近幾年云南銅業(yè)與國(guó)際銅業(yè)協(xié)會(huì)北京代表處合作,在鑄銅工藝技術(shù)的推廣應(yīng)用方面開(kāi)展了卓有成效的工作。近期，云南銅業(yè)、國(guó)際銅業(yè)協(xié)會(huì)北京代表處、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院和上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司就聯(lián)合開(kāi)展鑄銅轉(zhuǎn)子超高效率二相異步電動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)達(dá)成了共識(shí)。鑄銅轉(zhuǎn)子超高效率二相異步電動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，主要考慮從以下幾個(gè)方面開(kāi)展工作。功率等級(jí)及范圍的選取由于轉(zhuǎn)子鑄銅工藝是一項(xiàng)新技術(shù)，尚還需要在使用過(guò)程中不斷完善。為此，結(jié)合鑄銅轉(zhuǎn)子工藝本身的特點(diǎn)及市場(chǎng)發(fā)展的需要,本產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)目前主要以小功率電機(jī)為主，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為3000、1500、1000r/min三種（對(duì)應(yīng)的電機(jī)極數(shù)為2、4、6極）,系列產(chǎn)品的功率范圍為0.75?37kW。同時(shí),針對(duì)美國(guó)將于2011年在全球范圍內(nèi)率先強(qiáng)制推行超高效率標(biāo)準(zhǔn)電機(jī),擬開(kāi)發(fā)50Hz和60Hz2個(gè)系列產(chǎn)品，以滿足國(guó)內(nèi)和美國(guó)市場(chǎng)的需求。兩個(gè)系列產(chǎn)品的情況分述如下。一一,50Hz系列產(chǎn)品50Hz系列產(chǎn)品的功率等級(jí)為0.75、1.1、1.5、2.2、3、4、5.5、7.5、11、15、18.5、22、30、37kW。轉(zhuǎn)速（或極數(shù)）對(duì)應(yīng)的功率范圍為2極0.75?37kW;4極0.75?30kW;6極0.75?22kW。安裝尺寸的選擇?？紤]到與現(xiàn)有產(chǎn)品的互換性及能夠快速推向市場(chǎng),50Hz系列電動(dòng)機(jī)的安裝尺寸按《旋轉(zhuǎn)電機(jī)尺寸和輸出功率等級(jí)（GB/T4772.1-1999）》和IEC60072文件的相關(guān)規(guī)定。對(duì)應(yīng)50Hz電機(jī)的功率等級(jí)與轉(zhuǎn)速、機(jī)座號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。二.60Hz系列產(chǎn)品60Hz系列產(chǎn)品的功率等級(jí)為0.75、1.1、1.5、2.2、3.7、5.5、7.5、11、15、18.5、22、30、37kW。轉(zhuǎn)速（或極數(shù)）對(duì)應(yīng)的功率范圍為2極0.75?37kW;4極0.75?37kW;6極0.75?22kW。安裝尺寸的選擇。對(duì)應(yīng)60Hz系列電動(dòng)機(jī)的安裝尺寸參照NEMA標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，其電機(jī)功率等級(jí)與轉(zhuǎn)速、機(jī)座號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。主要性能指標(biāo)效率指標(biāo)。由于鑄銅轉(zhuǎn)子具有損耗低、效率高的特點(diǎn)，本項(xiàng)目以超高效率標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，超高效三相異步電動(dòng)機(jī)的效率標(biāo)準(zhǔn)選擇與最新的國(guó)際電工委員會(huì)IEC60034-30:2008中IE3的指標(biāo)相一致，對(duì)應(yīng)50Hz和60Hz的標(biāo)準(zhǔn)分別如表5、6所示；其他性能指標(biāo)。根據(jù)超高效率電機(jī)的特點(diǎn)，功率因數(shù)、堵轉(zhuǎn)電流和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩等指標(biāo)可根據(jù)設(shè)計(jì)做適當(dāng)調(diào)整，但堵轉(zhuǎn)電流和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩指標(biāo)相應(yīng)應(yīng)符合《單速三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能（GB/T21210-2007）》標(biāo)準(zhǔn)和NEMA標(biāo)準(zhǔn)B設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定?？蛰d噪聲和負(fù)載噪聲指標(biāo)應(yīng)符合GB/T10069.3《旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測(cè)定方法及限值第三部分:噪聲限值》的規(guī)定。振動(dòng)指標(biāo)應(yīng)符合GB10068《軸中心高為56mm及以上電機(jī)的機(jī)械振動(dòng)振動(dòng)的測(cè)量、評(píng)定及限值》的規(guī)定。主要設(shè)計(jì)參數(shù)沖片外徑。50Hz系列電動(dòng)機(jī)的定子外徑尺寸擬與我國(guó)的YX3電機(jī)相同,60Hz系列電動(dòng)機(jī)的外徑擬與鑄鋁轉(zhuǎn)子超高效電動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品的外徑尺寸相同，以提高產(chǎn)品的通用性；同時(shí)，從降低成本的角度出發(fā)，可進(jìn)行必要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。絕緣等級(jí)。從提高產(chǎn)品可靠性角度考慮，鑄銅轉(zhuǎn)子超高效三相異步電動(dòng)機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)采用F級(jí)絕緣結(jié)構(gòu)，但電機(jī)的溫升按B級(jí)考核。導(dǎo)電材料。定子繞組采用F級(jí)絕緣電磁線;轉(zhuǎn)子鑄銅采用國(guó)標(biāo)規(guī)定的一級(jí)電解銅（銅的純度為99.99）。④導(dǎo)磁材料。按主要滿足超高效率性能指標(biāo)考慮，以采用低損耗冷軋硅鋼片W470為主，同時(shí)從降低成本的角度考慮，兼顧采用W600等其他冷軋硅鋼片牌號(hào)的可能。結(jié)語(yǔ)；隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的推行，現(xiàn)有電機(jī)由于達(dá)不到最新的能效限定值和節(jié)能評(píng)價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)而將面臨逐步淘汰，因此勢(shì)必開(kāi)發(fā)節(jié)能效果好的超高效電機(jī)。本文通過(guò)設(shè)計(jì)、分析，給出了一種不改變電機(jī)鐵心三圓尺寸,而通過(guò)采用鑄銅轉(zhuǎn)子、調(diào)整電機(jī)槽形尺寸和繞組參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)超高效的電機(jī)設(shè)計(jì)方案，最大限度地利用現(xiàn)有機(jī)座號(hào)的三相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)座、端蓋和軸承等零部件，節(jié)約了研發(fā)、生產(chǎn)成本。采用該設(shè)計(jì)方案的電機(jī)不僅效率達(dá)到了最新能效標(biāo)準(zhǔn)的要求,其堵