電機降低損耗提高效率的途徑

由于電動機的損耗分布隨功率大小和極數(shù)不同而變化，因此為降低損耗，應(yīng)著重對不同功率和極數(shù)的主要損耗分量采取措施，現(xiàn)將降低損耗的一些途徑簡述如下。

1．增加有效材料，降低繞組損耗和鐵耗

根據(jù)電動機相似原理可知，當(dāng)電磁負(fù)荷不變，并且不考慮機械損耗時，電動機的損耗約與電機線性尺寸的3次方成比例，而電動機的輸入功率約與線性尺寸的4次方成比例，由此可近似得出效率與有效材料用量的關(guān)系， 為了在一定的安裝尺寸條件下，獲得較大的空間，以便能置放較多的有效材料來提高電動機效率，定子沖片外徑尺寸就成為一個重要因素。在同樣機座范圍內(nèi)，美國電動機相對于歐洲電動機具有較大的出力。為有利于散熱，降低溫升，美國電動機一般均采用較大外徑的定子沖片，而歐洲電動機則由于考慮防爆電動機等結(jié)構(gòu)派生的需要，以及減少繞組端部用銅量和生產(chǎn)成本，一般均采用較小外徑的定子沖片。

2． 采用較好的磁性材料和工藝措施以降低鐵耗

鐵心材料的磁性能（導(dǎo)磁率和單位鐵損）對電動機的效率和其他性能影響較大，同時鐵心材料費用又是構(gòu)成電動機成本的主要部份，因此選用合適的磁性材料是設(shè)計和制造高效率電動機的關(guān)鍵。在較大功率電動機中，鐵耗在總損耗中已占到相當(dāng)大的比重，因此降低鐵心材料的單位損耗值將有助于電動機鐵耗的下降。由于電動機設(shè)計和制造的原因，電動機鐵耗大大超過按鋼廠提供的單位鐵損值所計算的數(shù)值，所以一般在設(shè)計時將單位鐵損值增加1.5~2倍來考慮鐵耗的增加。

鐵耗增加的原因主要是由于鋼廠的單位鐵損值是按Epstein方圈法對條料試品進(jìn)行測試而得到的，但是材料經(jīng)過沖剪疊壓后受到很大的應(yīng)力，損耗會增加；此外，由于齒槽的存在引起氣隙，從而導(dǎo)致齒諧波磁場在鐵心表面引起空載損耗，這些都將導(dǎo)致電動機制成后鐵耗顯著地增加。因此除了選擇較低單位鐵損的磁性材料外，尚須控制疊壓壓力和采取必要的工藝措施以降低鐵耗。鑒于價格和工藝的因素，目前在高效率電動機的生產(chǎn)中，高牌號硅鋼片和薄于0.5mm的硅鋼片使用不多，一般仍采用低炭無硅電工鋼片或低硅冷軋硅鋼片。歐洲小電機的有些制造商曾采用無硅電工鋼片，其單位鐵損值為6.5w/kg，近年鋼廠推出Polycor420電工鋼片，其平均單位損耗為4.0w/kg，甚至低于某些低硅鋼片，該材料同時具有較高的導(dǎo)磁率。

近年日本研制出牌號為50RMA350的低硅冷軋鋼片，其成份中加入少量鋁和稀土金屬，從而在保持較高導(dǎo)磁率同時降低損耗，其單位鐵損值為3.12w/kg。這些都有可能為高效率電機的生產(chǎn)推廣提供較好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

3．縮小風(fēng)扇降低通風(fēng)損耗

對于較大功率的2、4極電動機，風(fēng)摩耗占有相當(dāng)大的比例，如90kW 2極電動機風(fēng)摩耗可達(dá)總損耗的30%左右。風(fēng)摩耗主要由風(fēng)扇消耗的功率所構(gòu)成。由于高效率電動機的熱耗一般較低，因此冷卻用風(fēng)量可減少，從而通風(fēng)功率也可減少。通風(fēng)功率約與風(fēng)扇直徑的4~5次方成比例，因此在溫升許可的情況下，縮小風(fēng)扇尺寸可有效地降低風(fēng)摩耗。此外通風(fēng)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，對提高通風(fēng)效率降低風(fēng)摩耗也是重要的。試驗表明，高效率電動機大功率2極部分風(fēng)摩耗可較普通電動機下降30%左右。由于通風(fēng)損耗下降幅度較大，而且不需增加多少費用，因此改變風(fēng)扇設(shè)計往往是這部份高效電動機所采取的主要措施之一。

4．通過設(shè)計和工藝措施降低雜散損耗

異步電動機的雜散損耗主要是由磁場高次諧波在定轉(zhuǎn)子鐵心和繞組中所產(chǎn)生的高頻損耗。為降低負(fù)載雜散損耗可通過采用Y—Δ串接的正弦繞組或其他低諧波繞組來降低各次相帶諧波的幅值，從而降低雜散損耗。試驗表明，采用正弦繞組可以使雜散損耗平均下降30%以上。

5．改進(jìn)壓鑄工藝，降低轉(zhuǎn)子損耗

通過控制轉(zhuǎn)子鑄鋁時的壓力，溫度以及氣體排放路徑等措施，減少轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的氣體，從而提高導(dǎo)電率，降低轉(zhuǎn)子鋁耗。近年美國已研制成功鑄銅轉(zhuǎn)子壓鑄設(shè)備及相應(yīng)的工藝，目前正在進(jìn)行小批量的試產(chǎn)。計算表明，如以鑄銅轉(zhuǎn)子取代鑄鋁轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子損耗可下降大約38%。

6．應(yīng)用計算機優(yōu)化設(shè)計，降低損耗提高效率

除了增加材料、提高材料性能以及改進(jìn)工藝外，采用計算機優(yōu)化設(shè)計，在滿足成本、性能等約束條件下，合理確定各項參數(shù)，從而獲得效率的最大可能提高。采用優(yōu)化設(shè)計可以顯著縮短電動機設(shè)計的時間，并提高電動機設(shè)計的質(zhì)量。

審核編輯 黃宇