超高效率三相異步電動機設(shè)計分析

超高效率三相異步電動機設(shè)計分析摘要：本文主要從電機特性分析、電動機系列主要內(nèi)容的考慮等方面展開討論，探討了"三相異步電動機設(shè)計〃的主題，旨在與同行探討學習，共同進步。關(guān)鍵詞；二相異步電動機；超高效率；鑄銅轉(zhuǎn)子三相異步電動機的技術(shù)指標主要包括效率、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、噪聲等。鑄銅轉(zhuǎn)子超高效率二相異步電動機（簡稱銅轉(zhuǎn)子電機）在保證效率達到IE3超高效率技術(shù)水平的同時，還要保證其他技術(shù)指標符合常規(guī)二相異步電動機的要求，使電動機處于良好的工作狀態(tài)。本文通過對銅轉(zhuǎn)子電機與鋁轉(zhuǎn)子YX3系列（GB/T22722—2008）電機的技術(shù)指標進行對比分析，同時輔以典型樣機的試驗數(shù)據(jù)進行驗證，以求確定符合銅轉(zhuǎn)子超高效率三相異步電動機特性的合理的技術(shù)指標。近期，云南銅業(yè)壓鑄科技有限公司與南陽防爆集團股份有限公司、上海電器科學研究所（集團）有限公司就鑄銅轉(zhuǎn)子超高效率二相異步電動機產(chǎn)品的開發(fā)開展了合作，結(jié)合樣機的試制情況，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機技術(shù)條件和YZTE3系列鑄銅轉(zhuǎn)子超高效率二相異步電動機技術(shù)條件國家標準。1電機特性分析在設(shè)計過程中，保持電機定、轉(zhuǎn)子鐵心三圓尺寸不變，僅對鐵心槽形和長度進行調(diào)整、優(yōu)化。這樣可以最大限度地利用現(xiàn)有機座號的三相異步電動機機座、端蓋和軸承等零部件，節(jié)約了研發(fā)、生產(chǎn)成本。為了分析電機各參數(shù)對電機性能的影響，首先從圖1所示的三相異步電動機的等效電路圖人手,對電機效率和堵轉(zhuǎn)電流和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩等進行分析。在其余條件不變的情況下，采用鑄銅轉(zhuǎn)子后僅對電機的轉(zhuǎn)子電阻產(chǎn)生影響，按照電機設(shè)計的方法,在計算得到圖1中相關(guān)參數(shù)后，在轉(zhuǎn)子槽形不變的情況下計算得到該電機的轉(zhuǎn)子電阻分別為,R2AI=0.290,R2Gn=0.115，代人式（1），式（2,計算得到電機的轉(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行分析時,由于忽略了堵轉(zhuǎn)時電機轉(zhuǎn)差率大而造成的轉(zhuǎn)子電阻增加，以及堵轉(zhuǎn)時電抗的變化，因此該分析結(jié)果僅能作為電機設(shè)計的定性參考。考慮到采用傳統(tǒng)設(shè)計方法調(diào)整電機鐵心參數(shù)得到的設(shè)計結(jié)果誤差較大（在槽形復雜時更為明顯），因此下面將采用有限元方法對電機參數(shù)進行調(diào)整，并對調(diào)整參數(shù)后的電機性能進行分析和設(shè)計。電動機系列主要內(nèi)容的考慮基于以上原因，開發(fā)超高效率電動機已顯得非常必要。隨著電動機效率的不斷提高，在降低電機損耗的措施研究方面，銅與鋁相比所具有的良好導電性，引起了人們的高度重視。開展鑄銅工藝研究來替代鑄鋁轉(zhuǎn)子已成為提高電動機效率的有效措施之一。近幾年云南銅業(yè)與國際銅業(yè)協(xié)會北京代表處合作,在鑄銅工藝技術(shù)的推廣應(yīng)用方面開展了卓有成效的工作。近期，云南銅業(yè)、國際銅業(yè)協(xié)會北京代表處、中國標準化研究院和上海電器科學研究所（集團）有限公司就聯(lián)合開展鑄銅轉(zhuǎn)子超高效率二相異步電動機系列產(chǎn)品的開發(fā)達成了共識。鑄銅轉(zhuǎn)子超高效率二相異步電動機系列產(chǎn)品的開發(fā)，主要考慮從以下幾個方面開展工作。功率等級及范圍的選取由于轉(zhuǎn)子鑄銅工藝是一項新技術(shù)，尚還需要在使用過程中不斷完善。為此，結(jié)合鑄銅轉(zhuǎn)子工藝本身的特點及市場發(fā)展的需要,本產(chǎn)品的開發(fā)目前主要以小功率電機為主，電機的同步轉(zhuǎn)速為3000、1500、1000r/min三種（對應(yīng)的電機極數(shù)為2、4、6極）,系列產(chǎn)品的功率范圍為0.75?37kW。同時,針對美國將于2011年在全球范圍內(nèi)率先強制推行超高效率標準電機,擬開發(fā)50Hz和60Hz2個系列產(chǎn)品，以滿足國內(nèi)和美國市場的需求。兩個系列產(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。考慮到與現(xiàn)有產(chǎn)品的互換性及能夠快速推向市場,50Hz系列電動機的安裝尺寸按《旋轉(zhuǎn)電機尺寸和輸出功率等級（GB/T4772.1-1999）》和IEC60072文件的相關(guān)規(guī)定。對應(yīng)50Hz電機的功率等級與轉(zhuǎn)速、機座號的對應(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。對應(yīng)60Hz系列電動機的安裝尺寸參照NEMA標準的相關(guān)規(guī)定，其電機功率等級與轉(zhuǎn)速、機座號的對應(yīng)關(guān)系如表4所示。主要性能指標效率指標。由于鑄銅轉(zhuǎn)子具有損耗低、效率高的特點，本項目以超高效率標準為設(shè)計目標，超高效三相異步電動機的效率標準選擇與最新的國際電工委員會IEC60034-30:2008中IE3的指標相一致，對應(yīng)50Hz和60Hz的標準分別如表5、6所示；其他性能指標。根據(jù)超高效率電機的特點，功率因數(shù)、堵轉(zhuǎn)電流和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩等指標可根據(jù)設(shè)計做適當調(diào)整，但堵轉(zhuǎn)電流和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩指標相應(yīng)應(yīng)符合《單速三相籠型感應(yīng)電動機起動性能（GB/T21210-2007）》標準和NEMA標準B設(shè)計的相關(guān)規(guī)定?？蛰d噪聲和負載噪聲指標應(yīng)符合GB/T10069.3《旋轉(zhuǎn)電機噪聲測定方法及限值第三部分:噪聲限值》的規(guī)定。振動指標應(yīng)符合GB10068《軸中心高為56mm及以上電機的機械振動振動的測量、評定及限值》的規(guī)定。主要設(shè)計參數(shù)沖片外徑。50Hz系列電動機的定子外徑尺寸擬與我國的YX3電機相同,60Hz系列電動機的外徑擬與鑄鋁轉(zhuǎn)子超高效電動機系列產(chǎn)品的外徑尺寸相同，以提高產(chǎn)品的通用性；同時，從降低成本的角度出發(fā)，可進行必要適當?shù)恼{(diào)整。絕緣等級。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機的絕緣結(jié)構(gòu)采用F級絕緣結(jié)構(gòu)，但電機的溫升按B級考核。導電材料。定子繞組采用F級絕緣電磁線;轉(zhuǎn)子鑄銅采用國標規(guī)定的一級電解銅（銅的純度為99.99）。④導磁材料。按主要滿足超高效率性能指標考慮，以采用低損耗冷軋硅鋼片W470為主，同時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的可能。結(jié)語；隨著國家節(jié)能減排政策的推行，現(xiàn)有電機由于達不到最新的能效限定值和節(jié)能評價值標準而將面臨逐步淘汰，因此勢必開發(fā)節(jié)能效果好的超高效電機。本文通過設(shè)計、分析，給出了一種不改變電機鐵心三圓尺寸,而通過采用鑄銅轉(zhuǎn)子、調(diào)整電機槽形尺寸和繞組參數(shù)來實現(xiàn)超高效的電機設(shè)計方案，最大限度地利用現(xiàn)有機座號的三相異步電動機機座、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)計方案的電機不僅效率達到了最新能效標準的要求,其堵