浅谈高效电机的设计思路

浅谈高效电机的设计思路

王长泉    叶文标

浙江露通机电有限公司 浙江省 311800

摘要：2022年6月16日，机械工业技术发展基金会/机械工业节能与资源利用中心联合国际铜业协会（中国）签署并发布《全面提升电机能效、开启节能低碳新征程倡议书》，提出倡议并承诺：力争到2023年，高效节能电机年产量达到1.7亿千瓦，在役高效节能电机占比达到20%以上，实现年节电量490亿千瓦时，相当于年节约标准煤1 500万吨，减排二氧化碳2 800万吨。

2020年，我国电机年耗电量占社会总用电量的64%，其中工业领域的电机总用电量占工业用电总量的75%，工业领域电机能效每提高1%，每年就可以节约电量384亿千瓦左右，即提升能效3%，具有较大的节能潜力。加快高效节能电机的推广和应用，持续提高能源资源利用效率，促进绿色消费和推动产业的升级，对实现碳达峰、碳中和目标具有十分重要的作用。

本文以MCA355-4高效电机为例，从电磁和结构两个方面，阐述高效电机的设计思路，并分析样机试验结果。

1 高效电机设计

1.1 提高电机电磁材料的性能

影响电机效率的主要因素有定子铜耗、转子铜耗、铁耗、杂散损耗和风摩耗等损耗。降低这些损耗可以提高电机效率，从而达到节约电能的目的。

1.1.1 定子铜耗

定子铜耗计算公式为：

其中：ρ—导线的电阻率；

L—导线的长度；

s—导线的截面积；

I—导线中流过的电流。

根据式（1）可知，电机的定子铜耗与电机的定子电流和绕组电阻有关。通过减小定子电流、增大绕组截面积以及减小绕组长度，可以减小电枢绕组铜耗。具体有以下几种方法：

（1）通过增大槽面积，以便使用更多的铜来增大绕组的截面积，进而减小其电阻，使电流流过绕组时的损耗降低。

（2）增加绕组的匝数，可以减小励磁电流和视在功率，提高电机的功率因数，从而降低定子电流，进而达到降低电机定子铜耗的目的。

（3）降低电机额定运行温升。电机电阻随温度升高而增加，进而影响定子铜耗，所以电机温升的大小会影响电机的效率。

（4）选取合适的绕组节距，通过先进的工艺和熟练的操作，减少绕组端部尺寸，从而提高电机效率。

1.1.2 铁耗

铁耗的计算公式为：

其中：p10/50—频率50 Hz、磁密1 T时铁心材料的单位损耗；

B—铁心磁密；

f—磁通交变频率；

GFe—铁心质量；

K—考虑铁心加工、磁密分布不均匀等因素使铁耗增加的修正系数。

应分别计算定子铁心和转子齿部、轭部的铁耗，然后相加。正常运行时，异步电机转子的磁通变化频率=转速滑差×定子电源频率，变化频率是很低的，所以基本铁耗可忽略。

电机铁耗可通过以下措施降低：

（1）铁心加工后的残余应力会严重影响电机的损耗，而硅钢片加工时的切削方向和冲切应力对铁心损耗影响比较大。沿轧制方向切割硅钢片，并对硅钢片进行热处理，可以降低损耗约11%～19%。

（2）使用导磁率较好的冷轧硅钢片，可以降低磁滞损耗。

（3）铁心中涡流损耗与硅钢片的厚度平方成正比，减小冲片厚度可降低涡流损耗。例如，用冷轧硅钢片代替热轧硅钢片，可以减少硅钢片的厚度，但薄的冲片会增加电机制造的成本和工时，降低叠压系数。

（4）在高性能铁心冲片表面增加绝缘涂层。

（5）通过增加铁心长度来降低磁通密度，但电机的铁耗会相应增加。

1.1.3 杂散损耗

目前对电机杂散损耗的认识还处于研究阶段，降低杂散损耗的主要方法有：

（1）通过改进定子绕组设计，降低谐波；

（2）采用热处理和精加工，减少转子表面短路

（3）通过改进转子槽型的设计和定、转子槽数的配合来降低谐波，增加定子槽和转子槽，将转子槽设计成斜槽，采用串联正弦绕组、分散绕组和短距离绕组，可以大大降低高次谐波；用压制而成的磁性槽楔代替传统的环氧玻璃布板和冷拔成型的绝缘槽楔，用磁性槽楔填充铁心槽，可有效降低附加杂散损耗。

（4）对转子槽内表面进行绝缘处理。

1.2 改进电机结构设计

风摩耗主要由风扇消耗的功率组成，可以通过减少冷却风量，来降低通风功率。在温升允许的情况下，减小风扇尺寸可有效减小风摩耗。对于功率较大的电机，风摩耗占有相当大的比例，如50 Hz、1 480 r/min、130 k W电机，其风摩耗可达总损耗的33%左右。由于高效电机的热耗一般较低，可选用较小风扇以达到降低风摩耗，进而进一步提升电机效率的目的。

2 实例分析

用一台额定功率250 k W，额定电压10 k V，额定频率50 Hz，额定转速1 480 r/min的4极高效电机MCA355-4为例，将其与传统电机进行对比，分析各项损耗。

传统电机槽宽是12.8 m m（图1），高效电机槽宽是14.7 m m；定子线规由0.9×3.55增大到1.3×4.5，也就是绕组的截面积增大了；匝数由36降低到26，也就是绕组的长度缩短了，从而电阻也减小了，进而降低了绕组的铜耗。

图1 传统电机槽面积 

通过改变冲片材质，来达到降低铁耗的目的。传统电机采用的是损耗较大的热轧片，高效电机采用的是损耗较低的优质冷轧片；传统电机的冲片材质是50W600，高效电机的冲片材质是50W350。即高效电机采用磁感应强度高、铁耗值低的冷轧硅钢片来叠装定、转子铁心，从而降低磁滞损耗，铁耗降低了16%。

由于发热量的降低，电机效率的提高，冷轧硅钢片热导率更高，从而使电动机的温升有了很大的余量。因为风扇在功率比较大的电机中的损耗占较大比例，所以重新设计高效电机的风扇，是降低风摩耗的最有效的途径之一。

定、转子槽数增多，且转子槽数少于定子槽数的电机的杂散损耗小，为有效地降低高效电机的杂散损耗，在本次设计中将42/34的槽配合改为48/36。

适当地增加气隙的长度，可有效降低杂散损耗，此电机的气隙选用2 mm。

磁性槽楔的导磁性很好，可以优化磁动势波形，减少附加损耗，从而提高电机的效率和功率因数，降低噪声和振动。

3 结语

本文所述高效电机设计思路具有很高的可行性，可以节约能源、降低长期运行成本，高效且节能。因此非常适合在纺织、风机、水泵、压缩机、水泥、矿业等领域使用，电机一年的节电量基本上就可抵消电机的购置成本。

参考文献

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[2] 王晨明，王静涛，何丽鹏．浅谈高效电机的节材和发展[J]．现代经济信息，2016（3):361．

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[4] 阮建国，盛英英，李青绵，等．电机能效现状及节能措施研究[J].机电工程，2009,26（6):96-99．

[5] 胡虔生，胡敏强．电机学[M]．北京：中国电力出版社，2005.