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YX3系列高效率三相异步电动机研制.pdf

2015-7-1 10:22:01 来源:网络 作者:中国人 点击:2027

 

YX3系列高效率三相异步电动机研制.pdf

《电机与控制应用》2005,32(9) Yx3系列高效率二三相异步电动机研制
f蒜茑谕 YⅪ系列高效率三相 ~oppppof
异步电动机研制
李秀英, 陈伟华,忻尚君,顾卫东
(上海电器科学研究所(集团)有限公司,上海200063)
摘要:介绍了Y)【3系列三相异步电动机的研制情况,重点分析了为提高电动机效率所采取的主要措
施。样机试制及试验验证了设计方案的合理性及可行性。
关键词:高效率异步电动机:效率指标;性能
中图分类号:TM343 文献标识码:A文章编号:100l一8085(2【mj09删3埘
Research on YX3 Series Higll Emciency Three-phase Asynchron吣Motor
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(sha“ghai Electrical Apparatus Research Institute Gmup Co.,Ltd.,shanghai 200063,china)
Abst咖t:The state 0f research on YX3 s州es three.pha8e asynchronus motor w踮introduced some measu睁
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Keywords:mgh-胡1cj蚰cy邺cllm肿岫m“to。;棚%d蜘cy.md慨;畔而嘞n∞
0概 述
电动机作为风机、水泵、压缩机、机床等各种
设备的动力源,广泛应用于工业、农业、国防、交
通、商业、公用设施和家用电器等各个领域。据统
计,电动机的用电量在全国的总用电量中占有相
当大的比重,其用电量约占工业用电量的66%,
占全国总用电量的50%左右。因此,提高电动机
的效率、积极推广高效率电动机或节能电动机的
应用,对国民经济建设、能源节约及环境保护等都
具有积极的促进作用。
目前世界上许多国家(包括我国在内)对电
动机系统的节能均给予了高度重视,美国、欧洲、
加拿大、澳大利亚等国家和地区都制订了有关电
动机的能效标准。1992年美国能源部发布了新
的能源法规,规定了高效率三相异步电动机的效
率标准,并从1997年lO月24日正式开始实施。
加拿大也于1992年制订了相应的能源效率法令,
并规定从1 999年开始正式生效。
欧洲电机和电子制造商协会(cEMEP)于
1999年决定,到2003年要削减50%较低效率水
平电动机的生产。并在2006年后不再生产较低
效率水平电动机。cEMEP并根据欧盟指示对电
动机效率水平进行分级,将效率分为effl、e血、
e∞三个等级。目前欧洲的sIEMENs、ABB等公
司已开发出效率为em等级的高效率电机,并已
投放市场。从国际和国内的发展趋势来看,开发
中国高效率电机是非常必要的。
2003年3月,由上海电器科学研究所(集团)
有限公司牵头组织的中小型电机行业第一个以冷
轧硅钢片代替热轧硅钢片的基本系列——Y3系
列三相异步电动机(H63~355)通过了由机械工
业联合会组织的专家鉴定。为进一步推广此项工
作,开发出既能出口到欧洲的满足em效率指标
的高效电机,又能满足GBl8613—2002《中小型三
相异步电动机能效限定值及节能评价值》中的电
动机节能评价值(等效于欧洲em能效标准)的
中国高效率电机,是电机行业的当务之急。为此,
由上海电器科学研究所(集团)有限公司、中小型
电机行业内有代表性的河北电机股份有限公司、
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Yx3系列高效率三相异步电动机研制 《电机与控制应用》2005,32(9)
北京毕捷电机股份有限公司、山东华力电机集团
股份有限公司、江门市江晟机电厂有限公司、广东
江门电机股份有限公司、嘉兴华年电机有限公司、
卧龙电机股份有限公司、江苏大中电机股份有限
公司、江苏贝得电机股份有限公司、威灵清江电机
股份有限公司、浙江金龙电机股份有限公司、西安
西玛电机有限公司、闽东亚南电机有限公司、德州
恒力电机有限责任公司、浙江光陆振动器股份有
限公司、山西电机制造有限公司、安徽六安江淮电
机股份有限公司等共同组成了Yx3系列高效率
三相异步电动机联合设计工作组。
联合设计工作组于2003年11月在上海成
立,讨论通过了《Yx3系列高效率三相异步电动
机(H80一355)技术任务书》。明确了新系列总体
目标和设计原则,并且根据本项目特点,提出主要
在以下3个方面开展研究工作:①导磁材料的选
择(包括退火工艺的研究);②冲片三园的研究;
③通风技术的研究。
1 技术研究
众所周知,三相异步电动机的主要损耗有定
子铜耗、转子铝耗、铁耗、风摩耗和附加损耗5类。
为了提高电动机的效率,就必须从降低这5大损
耗上来采取措施。电动机的效率w和损耗的相
对值∑p的关系如下:
扩忐 ㈩
式中:口——电动机效率,%;
∑p——损耗的相对值;
面=鲁; ∑p——电动机总损耗;
P2——电动机的输出功率。
从(1)式可知损耗与效率的关系,较大的损
耗相对值对应了较低的效率。电机原有的损耗相
对值不同时,降低同一比例的损耗,效率提高的幅
度也是不同的。表1列出了本系列电机效率提高
的幅度、损耗降低的比例及损耗分布情况与Y3
系列的对比。为降低损耗,显然应着力于主要损
耗分量的下降,从损耗分布比例来看,小电机特别
是4、6极电机还是以铜耗和铝耗为主,提高效率
的主要措施还是在降低铜耗和铝耗,降低电流密
度和磁通密度,这样就势必要放大导线截面和增
加铁心长度,多用材料,从下面的用料分析也可以
看出,小电机材料增加的比例比较多。在大功率
部分则应通过各种措施来降低风摩耗、铁耗和杂
耗,而不能主要依靠通过材料增加来降低绕组损
耗。如表1中所示,2极电机风摩耗所占比例由
H80~112的12.64%上升到H132—315的
27.41%,提高较多,故减少风摩耗对提高大机座
号的2极电机的效率有显著效果。本系列电机风
摩耗占总损耗的比例由Y3的27.41%降低到
22.58%。
为提高电机的效率,主要采取的措施如下:
1.1 采用铁损较低的导磁材料,降低铁耗
铁心材料的磁性能(导磁率和单位铁损)对
表l Y船系列与Y3系列各硪损耗及总损耗的对比
4
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《电机与控制应用》2啷,32(9) Yx3系列高效率三相异步电动机研制
电动机的效率和其他性能影响较大,同时,铁心材
料费用又是构成成本的主要部分,因此选用合适
的磁性材料是设计和制造电动机的关键。在Y3
系列电机的研制工作中,关于导磁材料的选择和
磁负荷的确定已作了大量的研究工作,在此基础
上,本系列电机设计时又进一步进行了分析研究。
小功率电机中空载电流(主要是磁化电流)
在满载电流中占了相当大的比例,达70%左右,
因此在小功率电动机中采用较高导磁率的电工钢
片有助于提高电机的效率。但在大功率电动机
中,由于空载电流所占比例较小,提高材料导磁率
的效果不明显,大功率电机的铁耗在总损耗中占
到相当大的比重,因此降低铁心材料的单位损耗
值即选用P15/50较低的材料将有助于电动机铁
耗的下降。表2分析了不同牌号硅钢片对铁耗及
效率的影响。通过分析,本系列选择冷轧硅钢片
Dw470为导磁材料,即B钟≥1.67 T,P,5,50≤4.5
w/kg,图纸上标注为牌号1。
表2不同硅钢片对效率的影响
从表2可以看出,当选用较好的导磁材料时,
可以降低铁耗。由于不同极数电机铁耗在总损耗
中所占比例不同,故其影响也就不同。
1.2增加有效材料用量。以降低铜耗和铁耗
根据电动机相似原理,当电磁负荷不变,且不
考虑机械损耗时,电动机的损耗与电动机线性尺
寸的3次方成比例,而电动机的输人功率约与线
性尺寸的4次方成比例。
∞=1一丢(1一¨ (2)
式中:a——电动机的尺寸比例系数;
吼——原始电动机的效率。
从式(2)可见,损耗与有效材料尺寸的线性
增长成反比。所以在小功率电动机中(效率较
低),增加材料效率提高较大,而在大功率电机中
效果不如小功率电机明显。为了在一定的安装尺
寸条件下,获得较大的空间,以便能放置较多的有
效材料来提高电动机的效率,定子冲片外径尺寸
就成为一个重要因素。在同样机座范围内,美国
电动机一般均采用较大外径的定子冲片,而欧洲
电动机则出于考虑防爆电动机等结构派生的需
要,以及减少绕组端部用铜量和生产成本,一般均
采用较小外径的定子冲片。由于我们一直沿用的
是欧洲体系,故冲片外径的选择上也是较小的。
在本系列电机设计中,对小机座号由于其效率提
高幅度较大,仅靠轴向尺寸的增加来提高效率是
很困难的,为此,对H80、H90、H100三个机座选
择了放大冲片外径的方案。
为降低绕组损耗和铁心损耗,需要适当降低
电流密度和磁感应强度,因此相应放大了导线截
面和增长了铁心长度,从而使有效材料用量增加,
见表3。
表3材料增加分类统计
规格 效率增加值/%铜增加/%铁增加/%铝增加/%
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Y)c3系列高效率三相异步电动机研制 《电机与控制应用》2005,32(9)
1.3改进风扇设计。降低风摩耗
对于较大功率的2、4极电动机,风摩耗占有
相当大的比例,如90 kw 2极电机风摩耗可达总
损耗的30%左右。风摩耗主要是由风扇消耗的
功率所构成。由于效率提高,热负荷降低,在不增
高温升的前提下,电机所需风量可以减少,因此风
扇尺寸可以缩小,从而使通风损耗减少。风扇减
少其对效率的贡献从计算上可以见表4。
表4风扇对效率的影响
此外通风结构和风扇外型的合理设计,对提
高通风效率,降低风摩耗、降低噪声也是很重要
的。本系列研究设计了新的风扇形式,并在Y2—
200L1—2上进行了对比试验,结果为,用原来Y2
系列的风扇,效率为90.92%,温升73.4 K,噪声
89.4 dB;改风扇外形不改外径、宽度的情况下,效
率91.59%,温升67.1 K,噪声87.2 dB;将外径
减小20 mm,效率91.72%,温升6l 5 K,噪声
85.9 dB。所以,合理的风扇设计不仅可以提高效
率、降低噪声,同时对温升也是有利的。该风扇设
计申请了国家实用新型专利(专利申清号为:
20042011叭49.7)。
1.4冲片退火工艺验证
冷轧硅钢片对冲剪应力比较敏感。从理论上
说,冲剪以后进行退火处理,可以消除应力,恢复
冷轧硅钢片的良好性能,这一试验在Y3系列电
机研制过程中已做过大量试验工作(见表5)。但
由于增加一道退火工艺,给制造过程带来很多麻
烦,同时也增加了成本。所以,方案的可行性一直
未能得到采用。
2研究成果
在上述研究的基础上,联合设计工作组进行
了系列设计及样机试制。样机试制的主要目的
是:(1)验证电磁设计方案和主要材料选用的合
理性;(2)验汪结构设计的正确性和工艺方案的
可行性;(3)验证试制用技术条件。全系列共有
73个规格,本次试制共试制了55个规格,180台
样机,试制结果见表6。从试验数据看,样机性能
全部达到预定目标,相同规格与西门子公司样机
也进行了测试对比,水平相当。全系列设计于
2005年lo月由机械工业联合会主持进行了专家
鉴定。
表5冷轧硅钢片退火前后损耗比较 w
Yx3系列电机的主要技术成果体现在以下
几个方面:
(1)Yx3系列电机是为了贯彻国家节能中
6
长期规划,是电机节能工程中重点开发的产品,是
符合国家产业政策而开发出来的国内高效率三相
异步电动机系列,填补了国内在这一领域的空白。
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《电机与控制应用》2005,32(9) Yx3系列高效率三相异步电动机研制
表6 Yx3系列高效率三相异步电动机试验数据 表7 Yx3典型规格电机效率特性曲线 %
(2)Y)【3系列电机效率指标满足GBl8613—
2002《中小型三相异步电动机能效限定值及节能
评价值》的节能评价值的要求,同时达到欧洲em
效率标准。
(3)YX3系列没计在风扇设计上进行了研
究取得了较好的效果,全系列电机做到了高效率、
低噪声,相同规格与西门子样机相比相当,全系列
平均比Y3系列低4 dB。
(4)Y)(3系列电机设计时对力能指标的确
定原则是:效率达到GBl8613—2002节能评价值
的要求,其它性能指标参照Y3系列,功率因数可
适当放宽、堵转电流符合IEc标准,样机试制基本
按照这一思路,性能指标达到了要求。本系列样
机试制满足了设计任务书的要求,性能指标也达
到了规定水平,相同规格与西门子公司测试值水
平相当。
(5)Y)(3系列高效率三相异步电动机的效
率特性曲线如图1所示。YX3系列高效率三相异
步电动机在60%~100%的负荷率范围内有较
平坦的效率特性曲线,因此具有良好的节能效果。
YX3系列高效率三相异步电动机典型规格的效
率特性如表7所示。

嚣 嚣 80
图l 典型规格负荷率曲线
(6)根据任务书的要求,系列设计在满足性
能要求的前提下,要尽可能节约有效材料,降低制
造成本。但前面分析也已经表明,本系列电机
H80—315效率平均提高了2.76%,与Y3系列相
比,平均同铜增加21.06%,用铁增加35.61%,
用铝增加24.47%。但考虑到对于长期连续负
荷,效率的增加可以节约大量的用电费用,其投资
成本在较短的时间就可以收回,其经济效益还是
相当可观的。
3 结论
发展高效率电机是符合国家节能中长期发展
规划的要求,也是目前世界各国为解决能源紧张、
减少大气污染等采取的主要措施。及时开发高效
率电机有利于国家中长期节能规划的落实和满足
国内外市场的需要。同时Yx3系列高效率三相
异步电动机也是采用冷轧硅钢片为导磁材料,有
利于行业进一步推动以冷轧硅钢代替热轧硅钢片
的产业政策。其效率指标完全达到cBl8613—
2002《中小型三相异步电动机能效限定值及节能
评价值》中节能评价值的规定,并符合欧洲能效
标准em要求;YX3系列电机噪声水平比基本系
列(Y3系列)有较大提高,缩小了与国外先进国
家的差距。因此,Yx3系列高效率三相异步电动
机的主要性能指标达到了本世纪初国际同类产品
的先进水平。YX3系列高效率三相异步电动机
推广应用后,将会推动行业的技术进步、扩大外贸
出口,具有很好的社会和经济效益。
收稿开期:2005—1l_02
本刊投稿信箱为:eec@mail.seari.com.cn,欢迎踊跃投稿!

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