YX3高效率三相异步电动机的研制
贺胜强、郭代春（河南豫通电机股份公司）
【新朋友】“电机工程师杂志”关注
【老朋友】点击右上角，转发或分享本页面内容
当前人类面临着三重危机，除短期的经济危机外，能源危机和环境危机是人类长期发展需面对的两个更为严重的危机。人类走出危机必须转变经济发展方式，发展低碳经济是当前的全球性共识，是未来全球长期的发展目标。为此,节约能源、提高能效是减少温室气体排放、降低碳排放的首要举措，在国家能源战略中处于优先地位，也是我国的基本国策。
中小型电动机（指一般用途的电动机和一般用途的防爆电动机）具有巨大的节能潜力。据统计，每年新增电机的耗电量：大中型9.2亿kWh;中小型78.6亿kWh，占电机总产量70%的中小型电机却有着90%的能量消耗。我国2009年的发电量为36506亿kWh，其中一般用途的三相异步电动机将消耗31.5%的总电量，按照隔爆型电动机占10%的比例计算，即为150亿kWh.当这些电机全部换成高效电动机后，也即效率提高4%，损耗平均下降30%左右，每年可节约电能46亿kWh，相应可节约一座100万kW电站的投资建设。节能减排环保效果将相当惊人，对我国十大节能工程之一的电机系统节能工程，也将是一个巨大的推动作用。
因此，中小型电机节能是非常具有现实意义的，中小型高效率电动机已成为我国电动机行业发展的主流。研制、生产高效率节能型电动机，一直是我公司在产品发展方面的基本指导思想。我公司经常关注高效率电动机的技术发展状况,还参与了《YX3系列高效率三相异步电动机技术标准》的制定工作。基于国家产业政策的要求，用户市场的需要，我公司研发高效率电动机,并将这种电动机节能技术在多种系列、电动机上应用。
1.实施该项目研究的意义
（1）节能政策的需要。
（2）用户及产品市场的需要。
（3）发展“节能型专用电机”，顺应电机行业国际技术发展趋势。
2.高效率三相异步电动机项目的研究目标
2.1要求
高效率三相异步电动机基本技术要求要符合《GB755旋转电机 定额和性能》的要求。主要技术性能参数要达到GB/T22722-2008《YX3系列（IP55）高效率三相异步电动机技术条件（机座号80～355）》和JB/T10686-2006《高效率三相异步电动机技术条件》的要求，如：整机外形及安装尺寸、整机电气绝缘性能、整机机械性能及性能容差与保证值等规定。高效率三相异步电动机，在能效水平上要达到GB19683-2008标准中能效二级的要求。整机防护等级按IP55要求执行，绝缘等级按F级。电动机的工作频率不仅仅限于50赫兹，要求它在100赫兹以下的各个不同频率下能正常工作。
2.2几项主要技术性能指标要达到以下目标
（A）电动机效率：电动机效率应达到GB18613《中小型三相异步电动机能效限定值及功率等级》标准的要求。
（B）降低电动机温升，以提高电动机的运行可靠性，延长电机使用寿命，把电动机绕组的绝缘级别确定为F级。力争使试制完成的电动机绕组温升低于F级绝缘温升限值10K。
（C）解决高效率电动机在各种不同电源频率下，不同电源控制状况下可能产生的高次谐波对电动机局部发热的影响。
（D）解决电动机在几个主要工作频率段的电气性能的差异问题。
2.3产品成本控制（主要材料的用量）
要求高效率电动机的主要材料用量与同等规格普通电动机相比，电磁线用量与硅钢片用量不超过115%，外壳（含端盖、出线盒）材料用量（按重量计）不超过120%。
2.4研究交流电机效率测试方法，完善测试手段
交流三相异步电动机的效率测试方法，国际电工委员会已有推荐。近年来国际上有关这方面的学术论文也很多。怎样能够准确地测试、分析交流电动机的效率，是一个系统的、严密的、关联性很强的技术工作。它牵涉到试验设备，试验方法，测试环境，试验程序，分析计算的取值等很多方面。
在本项目的设施中，完善测试手段、提高测试水平。并且，最终通过国家能效标识管理机构的能效实验室认可，取得《中国节能产品认证证书》，也是本项目的目标。
3.项目研究的主要内容
当前普通三相异步电动机的效率为GB18613标准中的3级水平。以15KW 4级电动机为例：Y160L-4 15kW电动机的效率保证值为89.4%，效率限值为87.81%，而GB18613标准中2级能效保证值为91.8% 。91.8%-89.4%=2.4%。此项目的研究内容之一就是寻求一个可以使其效率提高2.4%的切实可行的办法。
提高电动机的效率，实际是要降低电动机的自身损耗。电动机的损耗包括：定子绕组损耗、定转子铁芯损耗、转子绕组损耗、风摩耗和杂散损耗。也就是说要研究如何降低以上各种损耗。
（A）电动机铁心损耗
影响铁心损耗的因素有以下几方面：
铁心材料——硅钢片的磁性能----导磁率和单位损耗。提高电动机效率，需要用导磁性能好，单位损耗低，且厚度较薄的材料。要求必须使用质量有保证的正规钢铁公司的产品，以保证导磁率和单位损耗值，厚度及表面绝缘层等质量指标。
铁心加工工艺：硅钢片的冲剪，叠压都对铁心损耗有较大影响。铁芯冲片毛刺大，则铁芯损耗大。而要减小冲片毛刺就需要提高冲片设备的精度和使用高质量冲裁模具，这必将增加铁心制造成本，我们需要找出冲片毛刺大小对铁芯损耗影响的量值关系，以确定合理的冲片毛刺限定值。同样，铁芯叠压系数的大小也需要确定合理的取值。
铁心设计尺寸和磁通密度的选择：铁芯设计包括定子铁心外径，内径，转子铁芯内径，外径。俗称电动机的“三圆”。为了便于生产组织管理，铁芯设计“三圆”一般都采用传统标准值。而定转子槽型及其尺寸的设计，要求能保证轭部磁通密度，齿部磁通密度在一个合理的比例范围内即可。电动机设计中一般是以合理选择气隙磁通密度为主（气隙磁密确定后，复算轭磁密和齿磁密，选择一个合理数值）。提高磁通密度也就是提高电磁负荷，可以提高利用系数C，减小铁芯体积（重量），从而降低铁心损耗。但如此，却又由于磁密的提高而使铁心损耗系数增加，反而从另一方面增加了铁心损耗。本项目研究需要结合上述两个方面情况，综合计算分析找出铁损最小的磁通密度选取值。
(B)研究降低定子绕组损耗
由公式P=I2R看，我们可以通过减少绕组电阻的方法来达到降低定子绕组损耗的目的。在选择定子绕组电磁线方面，我们要求必须要使用优质电解铜，以保证铜线电阻率在 0.0169Ωmm2 /m （20℃）以下。增加绕组导线截面积，选择较低的电流密度，同时提高槽满率可以减少定子绕组铜损耗，提高电机效率。因为铜的电阻率是随着温度的升高而增加的。由以下公式：R=R0[1+α(T-T0)] 和 ρ=ρ0[1+α(T-T0)] 可以看出。提高槽满率有利于定子绕组热量的散发，限制定子绕组电阻的过快增加。但是槽满率过高又会使嵌线困难，同时还有可能使电机绕组绝缘降低，以至于受到破坏，因此需要寻求槽满率的一个最佳值。通过试验，确定最短的绕组端部长度，也是提高电机效率的一个有效途径。
(C)寻求降低机械损耗和提高功率因数的途径
机械损耗也叫风摩耗。这部分能量主要消耗在电动机的外风扇上，外风扇是为机壳散热的必要部件。风摩耗的大小是与风扇的转速有关，也与外风扇扇叶形状和尺寸有关。风量大则可以保证电动机热量的散发，对降低温升有利，但却增加了机械损耗，对提高电机效率不利。因此正确设计外风扇，合理确定风量，使之既可以保证电动机散热的需要，又不至于造成不必要的能量损失，这也是本项目应考虑的内容。电动机定、转子间气隙的大小（实际反映在转子外径尺寸的大小上）直接影响电机的空载电流大小和电机的功率因数的高低，对转矩也有一定影响。气隙减小对降低空载电流I0和提高功率因数cosφ有利，但却可能影响到电动机的转矩。
4.项目研究的关键
4.1电动机电磁方案的设计、计算和性能试验
按照市场实际需要，高效率三相异步电动机的需用容量包括0.55kW到315kW 的2、4、6、8极。我公司按照用户要求，已进行5.5kW 4极：11kW4极：22Kw4极; 55kW 4极和110kW 4极五个规格电动机的试制研究。
电动机主要电磁材料选取：铁芯材料用35DW35冷轧无取向硅钢片。电磁线用180级聚酯亚胺漆包圆铜线。主要绝缘材料用聚酯薄膜绝缘纸双层复合 F级绝缘材料（可选NHN；DMD；NMN；6023D等）。
电动机定转子主要尺寸：定子外径D1、定子内径Di1、转子外径D2、转子内径Di2采用与国内同类产品相一致的尺寸系列值。通过设计计算，型式试验最后找出最佳的绕组数据，铁心长度，定转子槽配合等数据。以上几种规格的电磁设计方案，都经过3-5次调整修改和产品试验才定下最后方案。
经过多次修改计算，并经性能测试后，在兼顾电动机其他性能的同时，确定最后选用方案。
最后选用方案的电动机性能测试数据与标准值的对比：
4.2电动机结构设计
电动机的结构设计目的在于解决电动机的散热问题、防护问题、外壳强度等。本项目研究的高效率三相异步电动机，其成果今后还将应用于其他多种特种用途电动机。因此，在结构设计时，就要立足于在最不利的条件下，可以得到最好的效果的基础上。
(1)确定电动机主要尺寸和冷却散热方式。 考虑到本项目电动机今后的应用领域可能比较广，确定电动机定子外径采用电机行业通用的定子外径尺寸系列。定子长度依电磁设计而定。
(2)电动机防护等级定为IP55。冷却方式确定为IC411 ，即机壳内通过转子风扇的作用，使空气循环散热，经机壳热传导到机壳表面。经外风扇散热。
(3)改进电动机外风扇和风罩。
电动机的冷却方式为IC411。它需要一个外风扇来为电动机散热。外风扇装在电动机输出轴的后端，外面装有一个风罩，它一方面保护风扇，同时起到引导空气流动方向的作用。外风扇和风罩组成的外散热系统，作用是驱散热能、降低电动机定转子温度。它在散热、降温的同时，也消耗能量。外风扇的外径和风扇叶形状对产生的风量和风扇消耗的机械能有直接影响。把风扇外径减小，调整风扇叶形状尺寸，可以使相同风量时减小机械能的消耗。通过多次试验，找出达到电动机散热需要风量的基本要求情况下，按机械能量消耗最少的目标，试验、选取外风扇的最佳尺寸。风罩起到空气导流的作用。合理设计风罩的形状、尺寸，可使其达到最佳导流效果。
5.产品市场及社会效益
5.1发展前景
（1）高效率三相异步电动机，是一个系列产品。电动机功率为;5.5kW到200kW。包括二、四、六、八极等多个转速等级。额定工作电压：380V ；防护等级;IP55 ；工作制为连续工作制 ；符合国家中小型三相异步电动机节能产品推广应用细则规定的范围。
（2）公司研发的高效率三相异步电动机技术，不仅可以在普通三相异步电动机上使用，而且可以在多种特种用途电动机是应用。比如：煤矿井下用隔爆型三相异步电动机；风机用隔爆型三相异步电动机；制动电机等。
(3)作为生产机械的动力，广泛应用于矿山、石油、机械、公路、食品、农业机械、以及军工产品等行业。电动机的市场应用面非常广泛。
基于以上原因来看，高效率三相异步电动机项目技术的市场前景是很好的。而且，当前国家又有推广应用节能产品的优惠政策。只要企业能按照国家政策办事，加上企业自身的努力，在高效率三相异步电动机项目技术的推广上一定会取得好成绩的。
5.2 效益分析
本项目产品-----高效率三相异步电动机的效率比现在普通电动机（执行国家能效3级标准的电动机）平均效率约提高3.3% 。（30kW 及以下电机平均数）。按照我们公司电动机的产销量，每年70万kW 计算，如果全部推广高效率电动机，每年计算8640小时（360天），利用率（实际工作时数）① 按70% ；② 按50% 计算。
使用高效率电动机可以比普通电动机节约的电能为：
① 按70% ：70万kW×8640小时×70%×3.3% =13970.88万kWh 。
电费按 0.5元/kWh : 0.5元 /kWh×13970.88万kWh = 6985.44万元。
② 按50% ：70万kW×8640小时×50%×3.3% =9979.2万kWh 。
电费按 0.5元/kWh : 0.5元 /kWh×9979.2万 kWh = 4989.6万元。
也就是说，如果全部生产销售高效率三相异步电动机，仅我们一个企业就可以每年为国家节约电能约一亿度电，节约资金近5000万元。
6.结束语
高效率三相异步电动机是河南豫通电机股份公司进行研究、设计、开发的节能电动机产品。目前，项目已经完成，并按国家相关政策规定，取得了中国节能认证证书(证书编号：CQC11701062211)，也在中国能效网上进行了备案，并获得了河南省科技成果奖（豫科签字[2011]第2052号），高效率三相异步电动机的研制是成功的。推广应用高效率三相异步电动机，执行国家节能产品惠民工程政策，需要企业、政府及全社会的共同努力。
参考文献
[1]GB18613-2006 中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级[S].
[2]GB/T1032-2005 三相异步电动机试验方法[S].
[3]IEC61972《三相笼型感应电动机损耗和效率试验方法》 [S]}.
[4]GB/T22722-2008《YX3系列（IP55）高效率三相异步电动机技术条件（机座号80～355）》
[5]JB/T10686-2006《高效率三相异步电动机技术条件》[S]}.
[6]交流电机设计手册[M] 湘潭电机厂主编 湖南人民出版社出版
[7]电机设计 [M] 西安交通大学 陈世坤主编 机械工业出版社出版
[8]异步电动机设计手册[M] 付丰礼 唐孝镐主编 机械工业出版社出版
[9]电机绕组理论和设计[M] 许实章著 机械工业出版社出版
[10]中小型旋转电机设计手册[M] 黄国强付丰礼主编 中国电力出版社出版
[11]电动机修理手册[M] 赵家礼主编 机械工业出版社出版
联系客服
