高效高压异步电机的分析与设计.docxVIP

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高效高压异步电机的分析与设计

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摘要:要实现异步电机效率提升，则必须降低电机各种损耗，异步电机合理的电磁设计是降低损耗的常用方法，为进一步提高效率，还需要将电磁设计与优化算法相结合，挖掘效率提升的最大潜力。为此，论文综述高效异步电机设计中电机降耗研究的既有成果，先从结构设计方面梳理出节能型定子绕组联接方式、定转子槽形优化、定转子槽配合、转子斜槽等实现异步电机节能降耗的措施，再对异步电机多目标优化设计中所涉及的目标函数评价、优化变量选取、优化算法选择、基于不同电机模型的多目标优化设计关键技术予以梳理，再进而展望高效异步电机设计亟需解决的关键技术，旨在为高效异步电机设计提供参考。

关键词：高效；高压；异步电机；分析；设计

1分析电机的损耗构成

电机的五大损耗为：电机定子铜耗、转子铝耗、铁耗、杂耗、机械耗。本文以中型异步高压系列的电机为例进行分析。涵盖2-12极，220～2800kW的系列产品范围。以现有产品系列产品的设计数据为依据绘制出损耗分析图。图1为相同转速不同功率下电机损耗与额定功率比值的百分比曲线。

图1

可以看出随着电机功率的增加电机的各项损耗均相应减小。其占比大小依次为电机定子铜耗、机械耗、铁耗、杂耗及转子铝耗。其中在小功率上电机的定子铜耗占比较大，解决铜耗能取得更为显著的效果。图2为相同电机功率下的不同转速时电机五大损耗的比例分布图。

图2

由曲线可以看出在电机极数少损耗的占比大小依次为机械耗、铜耗、铁耗、杂耗、转子损耗。在电机极数较多时，其损耗的占比依次为铜耗、铁耗、杂耗、转子损耗、机械耗。

2高效电机设计的基本方案

2.1减小电机铜耗的措施

电机定子的铜耗计算公式为Pcu1=I2·R。可以看出电机定子的铜耗与电机的定子电流和绕组电阻有关。在设计时常用的方法一是增加电机的绕组截面积，降低定子绕组电密。由于绕组截面的增多将需要增加一定的定子铁心长或增大电机的冲片外径。方法二，增加绕组的匝数，以此提高电机的功率因数降低电机的励磁电流，从而降低定子电流来降低电机的定子铜耗。但此方法将会引起电机有较高的热负荷，需要对电机进行通风的强化。方法三，降低电机额定运行温升，电机工作温度为115℃与75℃时电机的绕组电阻比值为1.13。由此看出合理的电机温升及电机的通风冷却形式也将对电机的效率产生较大的影响。方法四，合理的绕组节距及合适的绕组端部间隙，以减少端部长度，降低绕组电阻，提高电机效率。

转子绕组的设计也可从上述方面考虑，同时可以考虑采用铜条转子，降低绕组材料的电阻率，从而达到降低损耗提高效率的目的。

2.2降低电机铁耗的措施

根据上面分析可以看出电机铁耗在损耗中占较高的比例，尤其是在电机极数多转速低的电机上。在电机工作时发生铁损耗的原因有两种：（1）铁心产生的磁滞；（2）铁心产生的涡流。电机在正常运转的时候，磁通在转子上的变化不大，因此转子产生的铁心损耗可以不计。其铁耗表达式：

Pfe=KP1.0/50B2(f/50)1.3~1.5GFe

式中：

P1.0/50—铁心材料在频率50Hz、磁密1T时的单位损耗；

1:B—铁心平均磁密；

f—磁通交变频率；

GFe—铁心重量；

K—修正系数。

在设计时一般采取的措施为采用磁导率高、铁耗低的优质硅钢片如W365。国内的硅钢片厂家已经专门为电机开发出了高磁导率硅钢片，且硅钢片的铁耗要比国标降低许多。国内目前在此类电机上多采用0.5mm厚的w470硅钢片，如采用0.35mm或更薄的硅钢片将会取得更好的效果。

合理的磁路设计，通过电机各部位的磁路磁密设计及磁压降计算，力求最佳的磁路参数。避免局部的温度过高造成铁耗迅速增大和励磁电流的增长，增加电机的损耗。

由于硅钢片的冲槽造成局部晶粒结构的变化引起局部损耗增大，根据测试数据冲口部位增加20%以上。通过铁芯回火的方式可以消除应力，恢复硅钢片的良好性能，起到降低铁耗的作用。根据电机的损耗组成的成分，本文对定子的材料更换成50W360-50低损耗硅钢片，代替了原来的50W470-50；并对机械损耗中风摩损耗的这一损耗进行了计算，并得出最优效率点。综合考虑到高压异步电机的各项参数，调整了设计，从而使得在低成本高效率的原则下，对高压异步电机进行了改良。

2.3电机杂耗的控制措施

根据国家标准GB/T1032，电机设计时或实验时杂耗可以采用推荐公式或查图表填写。在此建议进行电机杂耗的实测试验，在采用了相应的降低杂耗的措施后实际的杂耗值远小于推荐值。在设计中常采用的方法包括。合理的槽配合、适合磁导率磁性槽楔或槽泥、加大电机气隙，减少定转子之间的谐波感应、采用正弦波绕组，减小电机压圈厚度、增大电机绕组与金属结构件之间的距离等。

2.4电机机械耗