双层同心不等匝低谐波绕组节能电机设计方法的研究

　　曾群

　　摘 要： 在分析影响电机效率的五大损耗的基础上，针对不同损耗的特点提出了不同的解决措施，并通过针对性的试验验证了各种措施的有效性。综合比较后指出双层同心不等匝低谐波绕组在减少损耗的效果、 节约成本及工艺可实现性等方面具有很大优势， 用于高效电机的设计生产具有很好的推广前景。

　　关键词：高效电机; 损耗; 低谐波绕组。

　　0 引言

　　由于电机系统耗电在世界各国均占有相当大的比重，随着能源形势的日益紧张，世界各国均开展了电机系统节能工作。我国电机保有量17 亿千瓦，消耗社会用电量的60% ～ 70% ，国家在十二五规划中，对节能减排目标提出了具体要求。本文对影响电机效率的五大损耗进行了系统分析，针对不同损耗的特点提出了具体的措施来提高电机的效率，并进行了相关的试验研究，总结出了开发高效电机的方法。

　　1 高效电机性能分析

　　1. 1 减小电机损耗的措施与方法

　　( 1) 减小电机铜耗的措施。

　　定子侧铜耗与定子电流和绕组的电阻有关，常用的方法就是增加绕组截面积以减小绕线电阻，减小电密，这种方法要受到槽满率等多方面的制衡。所以进行高效节能电机研制时， 部分规格放大了冲片外径， 目的就是增加槽面积可以放下更多的铜线。另外， 还可通过改进绕组的端部设计，减小端部的长度来减小整个绕组的电阻。目前大部分电机都是铸铝转子。铜的电导率要比铝高，铸铜转子的电机理论上转子损耗可以下降 38% 。采用铸铜转子的电机可以极大地提高电机效率。

　　( 2) 减小铁耗的措施

　　减小铁耗最常用的办法就是采用磁导率高、损耗低的优质硅钢片。另外， 硅钢片的厚度是影响电机铁耗的重要因素之一， 国内主流的硅钢片都是 0. 5 mm 厚， 而 国 外 的 产 品 很 多 开 始 采 用0. 35mm甚至 0. 27mm 厚的硅钢片。随着硅钢片厚度的减小，磁性能也有提升。减小电机的铁耗除了合理设计电机的磁路外，还要考虑电机铁心制造工艺的影响。一般硅钢片加工成铁心压入机座后铁耗大幅度增加， 目前常用的冲片退火工艺是在冲片冲剪之后进行退火处理， 以消除应力， 恢复冷轧硅钢片的良好性能，对降低铁耗起到了很好的作用。

　　1. 2 低谐波绕组技术的研究

　　定子绕组的形式决定了绕组的基波分布系数和谐波含量， 对电机性能有较大影响 。经常采用的定子绕组形式有单层绕组和双层绕组， 其中双层绕组可以采用长、 短距等措施来减小谐波含量。而 低 谐 波 绕 组 可 以 采 用 不 等 绕 组 匝 数、“△-Y” 串联等方式来产生接近正弦的气隙磁通。对于高效电机， 有必要采用低谐波绕组来改善电机的磁势波形，从而降低电机杂散损耗。

　　当 A 相电流达到最大时， 基波磁势幅值将与A 相绕组的轴线重合。假设某时刻 A 相电流达到最大，即 iA = Im，此时 iB = iC = - 0. 5Im。基波磁势波形和电流安匝波形的空间分布如图 1所示。

　　基波磁势幅值在 A 相轴线即 5 槽和 14 槽中线上; 而电流安匝的幅值在 18 槽-1 槽的中线上。这样，根据各槽电流安匝与图中余弦安匝波一一对应。解这个方程组， 就可以得到各个线圈的匝数比。据此，我们编制了基于双层同心不等匝绕组的电机设计软件， 专门用于低谐波绕组电机的设计。

　　2 高效电机设计效果的验证

　　2. 1 增加有效材料提高电机效率增加有效材料有两个方面: 一是增加电机铜、

　　铝的用量以减小定、 转子电阻; 二是采用更高性能材料，如采用高性能硅钢片以减小铁耗，采用铸铜转子以减小转子铜耗等。表 1 是 4 台分别满足3 级能效和 2 级能效的 45kW-2 电机的损耗及有效材料使用情况。从表 1 中数据可以看出，效率的提升主要源于定、 转子侧铜耗及铁耗的减少， 其中定子侧铜耗、 转子侧铜耗和铁耗平均减少了 20% ～30%。结合表 1 数据和这几台电机的设计制造过程总结出提高电机效率的主要采取以下措施。

　　( 1) 增加铁心长度，增加绕组截面积

　　45kW 电机 3 级能效到 2 级能效铁心长从200mm 增加到 230mm，长度增加了 15% 。在满足同样磁负荷的情况下， 铁心长度的增加可以减少电机的匝数，从而可以增加单匝线圈的截面积， 减少了定子电阻。

　　( 2) 采用更高性能硅钢片

　　采用了单位铁损更低、 性能更好的硅钢片， 在铁心长度增加的情况下，总的铁耗却减少了。

　　( 3) 扩大槽型尺寸，增加铜线和铸铝的用量。2 级能效比 3 级能效用铜量增加了 22. 4% ，用铝量增加了 6. 9% ， 这直接导致了定、 转子电阻的降低

　　2. 2 改进工艺提高电机效率

　　对冲出电机气隙工艺制作了样机， 并与普通电机进行了试验对比， 对比结果见表 2。表 2 中的 4 台 22kW-4 样机是按照 2 级 能 效 ( 即 IE3，93% ) 进行的设计， 其中 1 号、 2 号样机采用的是冲出气隙， 3 号、 4 号样机采用的车削气隙。从表 2中可以看出，1 号、 2 号样机的杂散损耗大大低于 3 号、 4 号样机的杂散损耗， 平均低 30% 左右，说明直接冲出气隙的方法对减少杂散损耗效果明显。

　　3 结语

　　采用单一的手段可能使某几个规格电机的效率提高一个效率等级， 但却很难将整个系列提高一个效率等级。因此高效电机的开发一定是多种手段并用，从设计、 材料、 结构等多方面入手， 进行全面的优化，这样才能使得各种措施的有效性发挥到最高。以此为指导， 我们逐步开发出了满足2 级能效和 1 级能效的高效节能电机， 为国家的节能减排做出了应有的贡献。

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