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电动机损耗的比例变化规律及其对策

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来源:电机展览会

三相交流电动机的损耗可分为铜耗、铝耗、铁耗和杂散耗、风摩耗,前4种为发热损耗,其总和称为发热总损耗。阐述当功率从小到大变化时,铜耗、铝耗、铁耗、杂散耗对发热总损耗的比例变化。通过实例,铜耗和铝耗占发热总损耗的比例虽有波动,总体上由大变小,呈下降趋势。而铁耗杂散耗相反,虽有波动,总体上由小变大,呈上升趋势。功率足够大时,铁耗杂散耗超过了铜耗。有时杂散耗还超过了铜耗、铁耗,成为发热损耗的第一因素。再分析Y2电动机,以及观察各种损耗对总损耗的比例变化,揭示的规律类似。认识上述规律,得出不同功率电机降低温升和发热损耗的侧重点不同。对小电机,首先应降低铜耗;对中大功率电动机,应侧重降低铁耗杂散耗。认为“杂散耗比铜耗、铁耗要小得多”的观点是片面的。特别强调,电动机功率越大越要注意降低杂散损耗。中大容量电动机采用正弦绕组来降低谐波磁势及杂散耗,效果往往很好。而降低杂散损耗的各种措施,一般不需要增加有效材料。

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引 言

三相交流电动机的损耗可分为铜耗PCu、铝耗PAl、铁耗PFe、杂散耗Ps、风摩耗Pfw,前4种为发热损耗,其总和称为发热总损耗PQ,其中杂散损耗是除了铜耗PCu、铝耗PAl、铁耗PFe、风摩耗Pfw4种以外的一切损耗,包括谐波磁势、漏磁场、斜槽横向电流等原因。

由于杂散损耗计算困难,测试也比较复杂,很多国家规定,杂散损耗按电动机输入功率的0.5%计算,将矛盾简化。但是这个数值非常粗糙,而且不同设计不同工艺,往往差异很大,由此也掩盖了矛盾,不能真实地反映电动机的实际工作状况。近来实测杂散耗呼声愈高。在全球经济一体化时代,如何与国际接轨,又要有一定的前瞻性,则为大势所趋。

本文研究三相交流电动机,当功率从小到大变化时,铜耗PCu、铝耗PAl、铁耗PFe、杂散耗Ps对发热总损耗PQ的比例变化规律,由此得出对策,以便将电动机设计制造得更合理更好。

1.电动机的损耗分析

1.1首先观察一个实例

某厂出口电动机的E系列产品,技术条件规定实测杂散损耗。为方便比较,先看2极电动机,功率范围从0.75kW到315kW。根据测试结果,求出铜耗PCu、铝耗PAl、铁耗PFe、杂散耗Ps对发热总损耗PQ的比例,见图1。图中纵坐标为各种发热损耗对发热总损耗的比例(%),横坐标为电动机功率(kW数),带菱形的折线为铜耗的比例,带正方形的折线为铝耗的比例,带三角的折线为铁耗比例,带叉的折线为杂散损耗的比例。

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图1 E系列2极电动机铜耗铝耗铁耗杂散耗对发热总损耗的比例折线图

(1)当电机的功率从小到大变化时,铜耗的比例,虽有波动,总体上由大变小,呈下降趋势,0.75kW,1.1kW约占50%,而250kW,315kW已不到20%铝耗的比例变化,总体上也由大变小,呈下降趋势,但变化幅度不大。

(2)电机功率从小到大,铁耗的比例变化,虽有波动,总体上由小变大,呈上升趋势。0.75kW~2.2kW约为15%,而大于90kW时已超过30%,大于铜耗。

(3)杂散耗的比例变化,虽有波动,总体上也由小变大,呈上升趋势。0.75kW~1.5kW约10%,而110kW时已接近铜耗,大于132kW的各规格,杂散耗大多超过了铜耗。而250kW,315kW的杂散耗超过了铜耗铁耗,成了发热损耗中第一因素。

4极电机(折线图略)。110kW以上铁耗大于铜耗,250kW及315kW的杂散耗超过铜耗、铁耗,成了发热损耗中第一因素。该系列2~6极电动机的铜耗和铝耗之和,小电机约占发热总损耗的65%~84%,而大电机下降到35%~50%,而铁耗相反,小电机约占发热总损耗的10%~25%,而大电机增加到约26%~38%。杂散耗,小电机约占6%~15%,而大电机增加到21%~35%。功率足够大时,铁耗杂散耗超过了铜耗。有时杂散耗还超过了铜耗铁耗,成为发热损耗中第一因素。

1.2R系列2极电动机,杂散损耗实测

根据测试结果,求出铜耗铁耗杂散耗等对发热总损耗PQ的比例。图2显示电机功率与杂散耗铜耗的比例变化。图中纵坐标为杂散耗铜耗对发热总损耗的比例(%),横坐标为电动机功率(kW数),带菱形的折线为铜耗的比例,带正方形的折线为杂散损耗的比例。图2清楚地显示,总体上电机功率愈大,杂散耗对发热总损耗的比例也愈大,呈上升趋势。图2还显示大于150kW的各规格,杂散耗超过了铜耗。有几个规格电机,杂散耗甚至是铜耗的1.5~1.7倍。

本系列2极电动机,功率从22kW到450kW,实测杂散损耗对PQ的比例由不足20%上升到接近40%,变化幅度很大。如用实测杂散损耗对额定输出功率的比例表示,则约为(1.1~1.3)%,如用实测杂散损耗对输入功率的比例表示,则约为(1.0~1.2)%,后两种表达方式其比例变化不大,也难以看出杂散损耗对PQ的比例变化。因此观察各发热损耗,特别是杂散损耗对PQ的比例,可以更好地认识各发热损耗的变化规律。

以上两例实测杂散损耗均采用美国的IEEE 112B方法

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图2 R系列2极电动机铜耗杂散耗对发热总损耗的比例折线图

1.3 Y2系列电动机

技术条件规定杂散损耗取输入功率的0.5%,而GB/T1032-2005规定了杂散损耗推荐值,今取其中方法1,公式为Ps=(0.025-0.005×lg(PN))×P1式中PN—为额定功率;P1—为输入功率。

我们假设杂散损耗实测值等于该推荐值,重新进行电磁计算,并由此求出铜耗铝耗铁耗杂散耗四个发热损耗对发热总损耗PQ的比例。其比例变化,同样符合上述规律。

即:当功率从小到大变化时,铜耗、铝耗的比例总体上由大变小,呈下降趋势。而铁耗杂散耗的比例总体上由小变大,呈上升趋势。无论2极、4极、6极,大于某个功率,铁耗将超过铜耗;杂散耗的比例也由小变大,渐渐接近铜耗,甚至超过铜耗。2极110kW以上杂散耗成了发热损耗中第一因素。

图3为Y2系列4极电动机4种发热损耗对PQ的比例折线图(假设杂散损耗实测值等于上述推荐值,其它损耗按计算值)。纵坐标为各种发热损耗对PQ的比例(%),横坐标为电动机功率(kW数)。显然,90kW以上铁耗杂散耗已大于铜耗。

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图3 Y2系列4极电动机铜耗铝耗铁耗杂散耗对发热总损耗的比例折线图

1.4文献研究了各种损耗对总损耗(包括风摩耗在内)的比例

发现铜耗铝耗在小电机中占总损耗的60%~70%,而容量增大时下降到30%~40%,而铁耗相反,小电机比例小,而容量增大时要占30%以上。杂散损耗,小电机约占总损耗的5%~10%,而大电机约占15%以上。揭示的规律类似:即功率从小到大变化时,铜耗、铝耗的比例总体上由大变小,呈下降趋势,而铁耗及杂散耗的比例总体上由小变大,呈上升趋势。

1.5根据GB/T1032-2005方法1规定的杂散损耗推荐值计算式

分子是实测杂散损耗值。电机功率从小到大,杂散损耗对输入功率的比例变化,递减下降,变化幅度不小,约2.5%~1.1%。如改分母为总损耗∑P,即Ps/∑P=Ps/P1/(1-η),若电机效率取0.667~0.967,则(1-η)的倒数为3~30,亦即实测杂散损耗对总损耗的比例相比对输入功率的比例,放大3~30倍,功率越大,折线越快速上升。显然,若取杂散损耗对发热总损耗的比例,则“放大倍数“更大。上例R系列2极450kW电机,杂散损耗对输入功率的比例Ps/P1稍小于上面推荐的计算值,而杂散损耗对总损耗∑P及对发热总损耗PQ的比例分别为32.8%,39.5%,相比对输入功率P1的比例,分别“放大”约28倍,34倍。

本文观察与分析的方法主要是取4种发热损耗对发热总损耗PQ的比例,比例数值大,能清楚地看到各种损耗的比例及变化规律,即功率从小到大,铜耗铝耗的比例总体上由大变小,呈下降趋势,而铁耗、杂散耗的比例总体上由小变大,呈上升趋势。特别是观察到,电机功率越大,杂散损耗占PQ的比例反而越高,渐渐接近铜耗,超过铜耗,甚至成为发热损耗中第一因素,因而能够正确认识其规律并重视降低大电机的杂散损耗。实测杂散耗对发热总损耗的比例,相比于杂散耗对输入功率的比例,只是换个方式来表达,并不改变其物理本质。

2.措施

认识上述这一规律,有助于电动机的合理设计合理制造。电动机功率大小不同,降低温升降低发热损耗采用何种措施,侧重点不同。

2.1对小功率电动机,铜耗占发热总损耗比例高

40%以上,甚至65%,因此降低温升首先应降低铜耗,如增大导线截面,减少每槽导体数,增大定子槽形,加长铁心等。工厂中往往以控制热负荷AJ来控制温升,这对小电机来说,完全是正确的。控制AJ本质上就是控制铜耗,根据AJ以及定子内径、线圈半匝长、铜线电阻率等不难求出整台电动机的定子铜耗。

2.2当功率从小到大变化时,铁耗渐渐接近铜耗

大于100kW时铁耗一般超过了铜耗。因此大电机应重视降低铁耗。具体措施,可采用低损耗硅钢片,定子磁密不要过高,还要注意各部分磁密要分布合理。

有些工厂对某些大功率电动机,重新设计,适当减小定子槽形。磁密分布较合理,适当调整了铜耗与铁耗的比例。虽然定子电流密度增加,热负荷增加,铜耗增加,但定子磁密降低,铁耗减少大于铜耗增加。性能与原设计相当,不但温升下降,还节约定子用铜量。

2.3对降低杂散损耗

本文强调的是电机功率越大越要注重降低杂散损耗。认为“杂散损耗比铜耗要小得多”的观点,仅适用于小电机。显然,按上文的观察与分析,功率越大越不适合。认为“杂散损耗比铁耗要小得多”的观点,同样也是不适合的。

杂散损耗实测值对输入功率的比例,小电机高,而功率越大比例越低,但不能由此得出结论,小电机要重视降低杂散损耗,而大电动机则不大需要降低杂散损耗。正相反,根据上面实例及分析,电动机功率越大,杂散耗占发热总损耗的比例反而越高,杂散耗同铁耗都接近甚至超过了铜耗,所以电动机功率越大,越要注重降低杂散损耗。

2.4降低杂散损耗的措施

降低杂散损耗的办法,例如增大气隙,因为杂散耗近似与气隙两次方成反比;降低谐波磁势,例如采用正弦(低谐波)绕组;槽配合适当;减少齿槽效应,转子采用闭口槽,高压电机定子开口槽采用磁性槽楔;铸铝转子脱壳处理减低横向电流,等等。值得注意的是,以上措施一般都不需要增加有效材料。杂耗还与电机发热状态有关,如绕组散热好,电机内部温度低,杂耗也低。

举例:某厂修理一台电动机,6极250kW。修理后试验,75%额定负荷下温升已达125K。后将气隙加工到原尺寸的1.3倍。额定负荷下试验,温升竟降到了81K,充分说明了气隙增大,杂散耗已经大大降低。谐波磁势是杂散损耗重要因素,中大容量电动机采用正弦绕组降低谐波磁势,效果往往很好。设计较好的正弦绕组,用于中大功率电动机,当谐波幅值和比原设计降低45%~55%时,杂散损耗可降低32%~55%,不则温升降低,效率增高,噪声下降,还能节铜节铁。

3.结语

3.1三相交流电动机

功率从小到大变化时,铜耗铝耗对发热总损耗的比例总体上从大到小,而铁耗杂散耗的比例总体上从小到大。对于小电机,铜耗占发热总损耗比例最高,随着电机容量增大,杂散耗及铁耗都接近及超过铜耗。

3.2为降低发热损耗

电机功率不同,采取的措施侧重点也不同。对小电机,首先应降低铜耗。对中大功率电动机更要注重降低铁耗杂散耗。认为“杂散耗比铜耗铁耗要小得多”的观点是片面的。

3.3杂散损耗占大电机发热总损耗的比例反而高

本文强调,电机功率越大越要重视降低杂散损耗。




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