馬拉松電機是如何設計高效電機的——提升電機效率可行性方法案例分析

引言

工業和信息化部、國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布《電機能效提升計劃（2013-2015年）》，明確了在用低效電機淘汰路線圖，其中2015年底前淘汰2003年（含）前生產的Y、Y2、Y3系列低壓三相異步電動機和電機生產企業自行命名的低壓低效三相異步電動機。

具有百年歷史的國際化電機品牌馬拉松電機一直致力于超高效電機的研發和制造，針對國家政策已經明確要求淘汰低效電機的情況，馬拉松電機為客戶提供豐富的高效電機訂制化設計方案。其中有很多客戶在要求提高電機效率的同時，并不希望改變電機的外形和安裝尺寸，不希望改變配套設備的尺寸。

這意味著電機的外殼部件、鐵心長度、定子沖片外圓等尺寸都不能改變，給電機設計帶來了空前的難度。經過反復計算，多次實驗，多次調整，我們成功地在不改變電動機外形尺寸條件下，以較低成本，將315中心高電機的效率等級從高效IE2提高至超高效IE3。

降低電動機損耗的措施

根據IEC60034-30標準的規定，IE3電動機比IE2電動機平均效率提高約一個百分點。以315中心高2極電機中最大功率200kW電動機為例，效率須從95.0%提高至95.8%，315中心高4極電機中最大功率200kW電動機，效率須從95.1%提高至96.1%。

眾所周知，電動機的損耗主要由定子銅耗、轉子鋁耗、鐵耗、機械損耗和雜散損耗組成，超高效電動機的開發，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，提高電動機的效率。

（1）增加有效材料，降低銅、鐵、鋁耗

根據電動機相似原理，當電磁負荷不變，且不考慮機械損耗時，電動機效率的變化可近似表示為：

式中: η——現電動機的效率；

a——電動機的長度比例系數；

η0——原始電動機的效率。

從式(1)可見，效率與有效材料長度的線性增長成反比。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機的效率，定子沖片外徑尺寸成為一個重要因素。對于IE3超高效電動機，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。

這意味著機座、端蓋、風罩等外殼部件均須全部新制，不僅大量增加成本，而且結構件的力學和固有頻率都需重新核算、分析和試驗。不僅如此，電動機的外形尺寸會比現有的IE2高效電機大，這將改變客戶配套設配，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。我們發現315中心高電機的沖片對銅和鋁的利用率并不很高，于是參考我公司某一系列電動機的三圓尺寸，將定子鐵心內圓縮小，增加定子槽深，增加銅的用量；同時增加轉子槽深，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電機為例，保持鐵心長不變，定子外圓不變，縮小定子內徑尺寸后，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）采用高牌號的磁性材料，降低鐵耗。

鐵心材料的電磁性能對電動機的效率及其他性能影響較大，同時鐵心材料又是構成電動機成本的主要部分之一，因此選用合適的磁性材料是設計和制造IE3超高效電動機的關鍵。

由于鐵耗占總損耗的比例較大（約占電機總損耗的25%，不同極數的電機比例有所不同），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種牌號的硅鋼片進行了對比，分別是50W400和50W600。表3是試算的2個規格電動機在電磁方案不變的情況下，采用不同牌號硅鋼片時，電動機損耗的情況。

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電動機鐵耗降低20%左右。

通過樣機試驗結果對比，315中心高超高效IE3電動機選用低損耗的50W400能有效降低鐵損，增加電動機效率。

（3）合理控制電動機溫升。

GB/T1032和IEEE112B法規定雜散損耗采用實測，實際損耗根據實際運行溫度來進行計算，可以真實反映電動機真實的運行、制造和設計的水平，同時把溫升引入到定、轉子損耗的計算中，充分考慮了溫升對效率的影響。

GB/T1032和IEEE112B法對定、轉子損耗和雜散損耗的規定可以得出以下結論：定子銅耗、轉子鋁耗與電動機溫升成正比，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。

對于溫升不高的電動機，可以通過減小風扇外徑，降低機械損耗的方法來提高電動機的效率。但對于315中心高200kW電動機來說，IE2高效電動機的溫升已接近極限值。

所以對于315中心高的電動機來說，用減小風扇外徑的方法來降低電動機損耗的方法效果并不理想。反而，通過降低電動機溫升的方法，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℃，電動機銅耗、鋁耗可以平均降低6.2%。

以H 315-4-200kW為例，風扇外徑縮小35mm，其他尺寸不變，機械損耗下降180W，但溫升上升將近15K。溫升增大導致銅耗、鋁耗增大。從試驗結果看，如果風扇外徑不減小，H 315-2-200kW電動機溫升由73K降低至52K；H 315-4-200kW電動機溫升由79K降低至56K。電機效率完全合格。

所以針對以上案例，減小風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高次諧波所產生的負載雜散損耗，IE3超高效電動機按GB/T1032和IEEE2B法，實測雜散損耗，這就要求電動機設計與制造時，重視質量，降低雜散損耗。

①增大電動機的氣隙。電動機的表面損耗與諧波磁場的幅值和頻率有關，適當地增大氣隙長度，可以有效地削弱諧波磁場的幅值，降低表面損耗。這部分損耗與氣隙的關系為：

式中：k——系數
      δ——氣隙長度。

由式（2）可知，適當增大電動機的氣隙，減小定、轉子諧波磁通的幅值，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生的磁勢是按正弦曲線分布的，因此將槽內的導體數量適當分配，使槽內電流沿鐵心表面按正弦規律分布，便可得到更接近于正弦波形的磁勢曲線。從而大大削弱相帶諧波磁勢，并能有針對性地消除5次和7次諧波幅值，有效的降低電動機的雜散損耗。

表5列舉了IE2-315-4-200kW電機采用低諧波繞組與普通雙層疊繞的試驗性能數據，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，在此不詳細展開描述。

2、降低電動機成本的措施

（1）減少模具成本。

由于沿用IE2電機的所有結構件，沒有任何模具成本增加，所以本方案可節省機座模具、端蓋模具、風罩拉伸模、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的銅、鐵、鋁用材，本方案更加節省成本。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比，其中可以看出本方案在主材成本上占有優勢。

表6列舉的兩個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省約7%~10%銅使用量。

同時，本方案比放大定子外圓方案擁有更小的結構件重量，包括機座和端蓋，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展。同時電機配套的設備，如壓縮機、泵、風機、造紙機、礦山機械、輕工機械、機床、起重卷揚設備等，也朝著同一方向發展。電機外形尺寸的增大，迫使部分客戶配套設備發生相應改變，增加客戶使用成本，這與電機及其配套設備的發展方向背道而馳。

采用本方案的電機效率等級從IE2提高至IE3，但外形不發生變化，避免了客戶改造配套設備，減少了客戶的使用成本。

3、結語

發展超高效電機是符合國家節能中長期發展規劃的要求，也是目前世界各國為解決能源緊張、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，馬拉松電機通過對電動機各種損耗降低措施的綜合運用，在設計中大幅度降低電動機的各種損耗，將315中心高電動機的效率等級順利地從IE2提升至IE3。將IE1、IE2、IE3電機統一了外形尺寸，不僅降低成本，還減少了客戶設備投資，以經濟的方式進行了能效升級。