引言

      工業(yè)和信息化部,、國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布《電機(jī)能效提升計(jì)劃（2013-2015年）》,，明確了在用低效電機(jī)淘汰路線圖，其中2015年底前淘汰2003年（含）前生產(chǎn)的Y,、Y2,、Y3系列低壓三相異步電動(dòng)機(jī)和電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)自行命名的低壓低效三相異步電動(dòng)機(jī)。

      具有百年歷史的國(guó)際知名電機(jī)品牌馬拉松電機(jī)一直致力于超高效電機(jī)的研發(fā)和制造,，針對(duì)國(guó)家政策已經(jīng)明確要求淘汰低效電機(jī)的情況,，馬拉松電機(jī)為客戶提供豐富的高效電機(jī)訂制化設(shè)計(jì)方案。其中有很多客戶在要求提高電機(jī)效率的同時(shí),，并不希望改變電機(jī)的外形和安裝尺寸,，不希望改變配套設(shè)備的尺寸。

      這意味著電機(jī)的外殼部件,、鐵心長(zhǎng)度,、定子沖片外圓等尺寸都不能改變，給電機(jī)設(shè)計(jì)帶來了空前的難度,。經(jīng)過反復(fù)計(jì)算,，多次實(shí)驗(yàn)，多次調(diào)整,，我們成功地在不改變電動(dòng)機(jī)外形尺寸條件下,，以最低成本，將315中心高電機(jī)的效率等級(jí)從高效IE2提高至超高效IE3,。

降低電動(dòng)機(jī)損耗的措施
      根據(jù)IEC60034-30標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,，IE3電動(dòng)機(jī)比IE2電動(dòng)機(jī)平均效率提高約一個(gè)百分點(diǎn)。以315中心高2極電機(jī)中最大功率200kW電動(dòng)機(jī)為例,，效率須從95.0%提高至95.8%,，315中心高4極電機(jī)中最大功率200kW電動(dòng)機(jī)，效率須從95.1%提高至96.1%,。

      眾所周知,，電動(dòng)機(jī)的損耗主要由定子銅耗、轉(zhuǎn)子鋁耗,、鐵耗,、機(jī)械損耗和雜散損耗組成，超高效電動(dòng)機(jī)的開發(fā),，必須從降低這五大損耗著手,，采取多種舉措，挖掘潛力,，降低損耗,，提高電動(dòng)機(jī)的效率。

（1）增加有效材料，降低銅,、鐵,、鋁耗

      根據(jù)電動(dòng)機(jī)相似原理，當(dāng)電磁負(fù)荷不變,，且不考慮機(jī)械損耗時(shí),，電動(dòng)機(jī)效率的變化可近似表示為：

      式中: η——現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的效率；

      a——電動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度比例系數(shù),；

      η0——原始電動(dòng)機(jī)的效率,。

      從式(1)可見，效率與有效材料長(zhǎng)度的線性增長(zhǎng)成反比,。所以,，有效材料的增加能使效率值提高。

　　  為了在一定的安裝尺寸條件下獲得較大的空間,，以便能放置較多的有效材料來提高電動(dòng)機(jī)的效率,，定子沖片外徑尺寸成為一個(gè)重要因素。對(duì)于IE3超高效電動(dòng)機(jī),，由于其效率提高幅度較大,，僅靠軸向尺寸的增加來提高效率是很困難的,，為此很多公司選擇了放大定子沖片外徑的方案,。

      這意味著機(jī)座、端蓋,、風(fēng)罩等外殼部件均須全部新制,，不僅大量增加成本，而且結(jié)構(gòu)件的力學(xué)和固有頻率都需重新核算,、分析和試驗(yàn),。不僅如此，電動(dòng)機(jī)的外形尺寸會(huì)比現(xiàn)有的IE2高效電機(jī)大,，這將改變客戶配套設(shè)配,，增加客戶使用成本，這是很多客戶所不能接受的,。

      既然定子沖片外徑和鐵心長(zhǎng)度都不能改變,，意味著鐵的用量無法增加，那我們只能考慮如何增加銅和鋁的用量,。我們發(fā)現(xiàn)315中心高電機(jī)的沖片對(duì)銅和鋁的利用率并不很高,，于是參考我公司某一系列電動(dòng)機(jī)的三圓尺寸，將定子鐵心內(nèi)圓縮小,，增加定子槽深,，增加銅的用量；同時(shí)增加轉(zhuǎn)子槽深，增加鋁的用量,。

      以315中心高2極最大功率為例,，即以H 315－2－200kW電機(jī)為例，保持鐵心長(zhǎng)不變,，定子外圓不變,，縮小定子內(nèi)徑尺寸后，銅和鋁的用量均有明顯提高,，見表1,。
      由于銅和鋁用量提高，銅,、鐵,、鋁的損耗也相應(yīng)降低，同樣以H315-2-200kW為例,，表2列出的銅,、鐵、鋁的損耗平均降低20%左右,。

      由此,，在不改變定子外圓和鐵心長(zhǎng)的條件下，順利把銅,、鐵,、鋁三大損耗降低了20%左右。

（2）采用高牌號(hào)的磁性材料,，降低鐵耗,。

      鐵心材料的電磁性能對(duì)電動(dòng)機(jī)的效率及其他性能影響較大，同時(shí)鐵心材料又是構(gòu)成電動(dòng)機(jī)成本的主要部分之一,，因此選用合適的磁性材料是設(shè)計(jì)和制造IE3超高效電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵,。

      由于鐵耗占總損耗的比例較大（約占電機(jī)總損耗的25%，不同極數(shù)的電機(jī)比例有所不同）,，大幅降低鐵耗顯得很有必要,。由于受到軸向尺寸和中心高的限制，單純的增加有效材料達(dá)不到大幅降低鐵耗的目的,，因此必須選用低損耗的硅鋼片,。

      我們選用了2種牌號(hào)的硅鋼片進(jìn)行了對(duì)比，分別是50W400和50W600,。表3是試算的2個(gè)規(guī)格電動(dòng)機(jī)在電磁方案不變的情況下,，采用不同牌號(hào)硅鋼片時(shí)，電動(dòng)機(jī)損耗的情況,。
      從表3可以看出,，選用低損耗的50W400沖片,，鐵耗下降明顯，可以將200kW電動(dòng)機(jī)鐵耗降低20%左右,。

      通過樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,，315中心高超高效IE3電動(dòng)機(jī)選用低損耗的50W400能有效降低鐵損，增加電動(dòng)機(jī)效率,。

（3）合理控制電動(dòng)機(jī)溫升,。

      GB/T1032和IEEE112B法規(guī)定雜散損耗采用實(shí)測(cè)，實(shí)際損耗根據(jù)實(shí)際運(yùn)行溫度來進(jìn)行計(jì)算,，可以真實(shí)反映電動(dòng)機(jī)真實(shí)的運(yùn)行,、制造和設(shè)計(jì)的水平，同時(shí)把溫升引入到定,、轉(zhuǎn)子損耗的計(jì)算中,，充分考慮了溫升對(duì)效率的影響。

      GB/T1032和IEEE112B法對(duì)定,、轉(zhuǎn)子損耗和雜散損耗的規(guī)定可以得出以下結(jié)論：定子銅耗,、轉(zhuǎn)子鋁耗與電動(dòng)機(jī)溫升成正比，隨著溫升的升高,，損耗增加,，效率將低；同理,，隨著溫升的降低損耗減小,，效率增大。

      對(duì)于溫升不高的電動(dòng)機(jī),，可以通過減小風(fēng)扇外徑,，降低機(jī)械損耗的方法來提高電動(dòng)機(jī)的效率,。但對(duì)于315中心高200kW電動(dòng)機(jī)來說,，IE2高效電動(dòng)機(jī)的溫升已接近極限值。 

      所以對(duì)于315中心高的電動(dòng)機(jī)來說,，用減小風(fēng)扇外徑的方法來降低電動(dòng)機(jī)損耗的方法效果并不理想,。反而，通過降低電動(dòng)機(jī)溫升的方法,，來降低銅,、鐵、鋁的損耗更為合理,。從表4可以看出,，將溫升降低20℃，電動(dòng)機(jī)銅耗,、鋁耗可以平均降低6.2%,。
      以H 315-4-200kW為例,，風(fēng)扇外徑縮小35mm，其他尺寸不變,，機(jī)械損耗下降180W,，但溫升上升將近15K。溫升增大導(dǎo)致銅耗,、鋁耗增大,。從試驗(yàn)結(jié)果看，如果風(fēng)扇外徑不減小,，H 315-2-200kW電動(dòng)機(jī)溫升由73K降低至52K,；H 315-4-200kW電動(dòng)機(jī)溫升由79K降低至56K。電機(jī)效率完全合格,。

      所以針對(duì)以上案例,，減小風(fēng)扇外徑并不能有效降低損耗、提升效率,，合理控制溫升才是降低損耗的有效途徑,。

（4）降低雜散損耗。

      雜散損耗是指由氣隙磁場(chǎng)高次諧波所產(chǎn)生的負(fù)載雜散損耗,，IE3超高效電動(dòng)機(jī)按GB/T1032和IEEE2B法,，實(shí)測(cè)雜散損耗，這就要求電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造時(shí),，重視質(zhì)量,，降低雜散損耗。

      ①增大電動(dòng)機(jī)的氣隙,。電動(dòng)機(jī)的表面損耗與諧波磁場(chǎng)的幅值和頻率有關(guān),，適當(dāng)?shù)卦龃髿庀堕L(zhǎng)度，可以有效地削弱諧波磁場(chǎng)的幅值,，降低表面損耗,。這部分損耗與氣隙的關(guān)系為：
      式中：k——系數(shù)

      δ——?dú)庀堕L(zhǎng)度。

      由式（2）可知,，適當(dāng)增大電動(dòng)機(jī)的氣隙,，減小定、轉(zhuǎn)子諧波磁通的幅值,，可以有效地減少雜散損耗,。

      ②采用低諧波繞組。由于沿鐵心表面按正弦曲線分布的電流層所產(chǎn)生的磁勢(shì)是按正弦曲線分布的,，因此將槽內(nèi)的導(dǎo)體數(shù)量適當(dāng)分配,，使槽內(nèi)電流沿鐵心表面按正弦規(guī)律分布，便可得到更接近于正弦波形的磁勢(shì)曲線,。從而大大削弱相帶諧波磁勢(shì),，并能有針對(duì)性地消除5次和7次諧波幅值,，有效的降低電動(dòng)機(jī)的雜散損耗。

      表5列舉了IE2-315-4-200kW電機(jī)采用低諧波繞組與普通雙層疊繞的試驗(yàn)性能數(shù)據(jù),，由此看出,，采用低諧波繞組，不僅可以大大降低雜散損耗,，而且可以降低溫升,，節(jié)省銅線用量。
      ③其他,。如控制端部尺寸,、提高制造工藝和精度等，在此不詳細(xì)展開描述,。

2,、降低電動(dòng)機(jī)成本的措施

      （1）減少模具成本。

      由于沿用IE2電機(jī)的所有結(jié)構(gòu)件,，沒有任何模具成本增加,，所以本方案可節(jié)省機(jī)座模具、端蓋模具,、風(fēng)罩拉伸模,、鑄鋁模等模具成本至少30萬人民幣左右，在此不詳細(xì)展開描述,。

      （2）減少材料成本,。

      相比采用放大定子外圓或增加鐵心長(zhǎng)的銅、鐵,、鋁用材,，本方案更加節(jié)省成本。表6列舉了 IE3-315-2-200kW采用本方案和放大定子外圓方案三大主材成本對(duì)比,，其中可以看出本方案在主材成本上占有優(yōu)勢(shì),。

      表6列舉的兩個(gè)方案均是雙層疊繞的方案，如采用低諧波繞組將比采用雙層疊繞節(jié)省約7%~10%銅使用量,。
      同時(shí),，本方案比放大定子外圓方案擁有更小的結(jié)構(gòu)件重量，包括機(jī)座和端蓋,，這將有效降低鑄鐵使用量至少10%。

      （3）減少客戶使用成本,。

      電機(jī)正朝著效率越來越高,，功率越來越大，體積越來越小的方向發(fā)展,。同時(shí)電機(jī)配套的設(shè)備,，如壓縮機(jī),、泵、風(fēng)機(jī),、造紙機(jī),、礦山機(jī)械、輕工機(jī)械,、機(jī)床,、起重卷揚(yáng)設(shè)備等，也朝著同一方向發(fā)展,。電機(jī)外形尺寸的增大,，迫使部分客戶配套設(shè)備發(fā)生相應(yīng)改變，增加客戶使用成本,，這與電機(jī)及其配套設(shè)備的發(fā)展方向背道而馳,。

      采用本方案的電機(jī)效率等級(jí)從IE2提高至IE3，但外形不發(fā)生變化,，避免了客戶改造配套設(shè)備,，減少了客戶的使用成本。

3,、結(jié)語

      發(fā)展超高效電機(jī)是符合國(guó)家節(jié)能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃的要求,，也是目前世界各國(guó)為解決能源緊張、減少大氣污染等采取的主要措施,。在不改變外形尺寸的條件下,，馬拉松電機(jī)通過對(duì)電動(dòng)機(jī)各種損耗降低措施的綜合運(yùn)用，在設(shè)計(jì)中大幅度降低電動(dòng)機(jī)的各種損耗,，將315中心高電動(dòng)機(jī)的效率等級(jí)順利地從IE2提升至IE3,。將IE1、IE2,、IE3電機(jī)統(tǒng)一了外形尺寸,，不僅降低成本，還減少了客戶設(shè)備投資,，以最經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行了能效升級(jí),。

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