提高电机效率

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欢迎访问e展厅 展厅 1 电动机展厅 三相异步电动机, 单相电机, 马达, 伺服电机, 直流电机, ... 本文主要介绍各种减少感应电机损耗的方法，以达到IE4（IEC 60034 30）电机效率水平。另外，本文还讨论了减少感应电机损耗时需遵循的各种规则、指南和最佳做法，并概述了提高电机效率的新技术。 市场上目前存在多种电机技术，包括在成本方面最经济实惠的电机、最高效的电机、最紧凑的电机等。除此之外，电机还必须能够满足许多特定的应用需求，比如速度范围、安装方便性、安全性、可靠性、噪音水平低、振动小、使命寿命长、维护需求低等。然而，尽管存在各种电机技术，但感应电机仍然是市场上最常用的电机，特别是在不需要变速功能的情况下。 然而，现代交流电机驱动器采用具有磁场定向控制功能的感应电机，以实现变速运行。在这种情况下，为了提高整体效率，我们需要采用超一流的高效IE4感应电机。另外，我们还可以使用效率水平高于IE4的永磁同步电机，因为感应电机和永磁电机都需要电力电子系统，以控制速度。 本文将讨论各种损耗对感应电机效率的影响，并提出减少损耗的方法，以达到IE4（IEC 60034-30）效率水平。另外，本文还将介绍减少感应电机的各种损耗时需遵循的一般规则、指南和最佳做法。即使感应电机已经生产出来，我们仍能够在变速驱动（VSD）应用中，特别是在低速运行的情况下，通过适当控制磁通量（电压/频率比），确保将总损耗保持在最低限度，从而提高电机效率。这称为“最佳磁通量”解决方案。 将不同的电机技术与感应电机进行比较非常困难，并且不同的应用可能导致不同的电机驱动器选择。在某些情况下，特定电机驱动器系统的选择可能不仅受到性能或成本的影响，而且还可能涉及其他考虑因素，如维护问题（电机易于装配和拆卸）、坚固耐用性（能够抵抗高速力量）、噪音、振动等。我们必须进行全面的性能比较分析，充分考虑速度范围内的运行、速度限制等因素，不仅要比较感应电机通过主电源运行的性能，还要比较感应电机通过变频器在固定速度下运行的性能。 IE4效率水平 IEC 60034-30标准第1版定义了IE1、IE2和IE3效率水平的限制。除了IE1、IE2和IE3效率等级，IEC 60034-30标准第二版委员会草案（CD）目前也在定义IE4超一流效率等级限制。然而，在IEC 60034-30标准第二版的最终版本中，IE4效率水平仍然可能会出现一些变化。此标准将定义各种顶级的效率水平，不仅包括功率范围为0.12-800kW的2极、4极、6极和8极电机（在主电源下以固定速度运行的电机），还有变速电机。 相比IE3效率水平的电机，IE4电机的损耗减少了10%-24%。因此，所产生的主要问题就是：电机生产商如何能够在保持功率/频率比不变的情况下达到感应电机IE4效率水平这一要求？或者说，如何在保持成本增幅最小的情况下提高感应电机的效率？ 速度范围内的效率 通过使用变速驱动器（VSD），我们可以实现显著的能源节省。虽然感应电机目前可达到IE4效率等级，但如果采用变频器，感应电机的效率则会大幅下降，甚至对于恒转矩应用也是如此。有时候，感应电机还需要具有超大尺寸，或者使用强制通风设备。在这种情况下，永磁电机能够有助于提高流程效率，因为在低速运行的条件下，永磁电机比感应电机的效率高，并且永磁电机也无需超大尺寸或强制通风设备。图1描述了这种情况。在这个例子中，您可以看到IE2、IE3和IE4感应电机与永磁电机（变速运行，恒转矩）之间的效率比较。图1显示，相比感应电机，永磁电机具有更卓越的效率，特别是在较低速度下运行时。 最佳磁通量 在速度降低的情况下，我们可以提高恒转矩感应电机的效率。电机的基本原理表明，感应电机提供的转矩与磁通量和电流的乘积是成正比的。那么，为了使转矩保持恒定，如果磁通量增加，电流则需要减小（反之亦然）。由于焦耳损耗与电流的平方成正比，因此，焦耳损耗可以被视为与磁通量的平方成反比。根据法拉第-楞次感应定律，我们可以很容易证明，电机磁通量与电动势（E）和频率（f）之比是成正比的。考虑到感应电机每相等效电路的稳态模型，我们可以指出的是，在基础频率下，初级阻抗电压降的影响不大，因此，磁通量可以被视为与V/f之比（电压/频率之比）是成正比的。而在较低的速度下运行时，则必须考虑初级阻抗电压降的影响。 最佳磁通量解决方案背后的主要思路是，当电机速度降低时，必须使磁通量与电流保持平衡，以确保维持恒转矩，并使总损耗保持在最低限度内。我们知道，铁损耗在很大程度上取决于磁通量密度和频率。当频率降低时，铁损耗也会减少。这意味着，升高电压可以增加磁通量密度，以降低电流，从而减少焦耳损耗（I2R损耗）。最终结果是，转矩保持恒定，并且焦耳损耗（其为主要损耗）也大大减少。当速度降低时，这种解决方案可以促进总损耗减少。有关此方案的完整描述，详见参考文献1和2。考虑IE4效率水平的电机的最佳磁通量解决方案时，我们可以确定，相比无最佳磁通量解决方案的相同电机，电机效率如何受到速度降低的影响。图2显示的例子是30kW、4极、50Hz IE4感应电机与永磁电机之间的效率比较。 减少损耗的方法 确切地了解损耗的主要来源是提出设计和生产工艺改进方案以减少损耗的关键。需要考虑的损耗包括：Pj1—定子绕组焦耳损耗、Pj2—转子焦耳损耗、P机械—机械损耗（摩擦和通风损耗）、Pfe—铁损耗、P额外—额外损耗和P谐波—谐波损耗。以万高IE4、W22、30kW、4极感应电机的损耗分布百分比为例：Pj1—43.7%、Pj2—20.4%、P机械—3.53%、Pfe—26.7%、P额外—4.91%和P谐波—0.67%。特别是对于这台电机而言，很显然，大部分相关损耗均来自焦耳损耗和铁损耗。 非常明确的是，减少各类损耗往往会导致电机成本增加。除此之外，在某些情况下，为减少机械损耗，温度还可能会上升。而在另外一些情况下，启动电流、启动转矩或功率因数也会受到影响。因此，感应电机设计师和研究人员面临的挑战在于，减少损耗，同时使成本增加保持在最低限度内，并提高电机的总体性能，包括效率、噪音、振动、温度上升、启动电流和启动转矩以及功率因数等方面。 定子绕组焦耳损耗 在各类损耗中，定子绕组焦耳损耗所占的百分比通常最高。为减少这类损耗，我们必须减少定子绕组的电阻。这可以通过以下方式来实现： ■增加电线直径，同时保持电线匝数不变。这种解决方案需要改进定子绕组的生产工艺，因为填充因数越高，则越难以将定子绕组插入定子槽。如果有必要设计全新的定子铁芯片，则可以扩大定子槽。这样做的后果是，定子齿或定子铁芯变窄，导致这些区域内的磁通量密度增加，进而引起磁损耗。因此，需要进行许多模拟，以实现最佳设计，确保总损耗保持在尽可能低的程度。为避免这项非常耗时的任务，必须使用具有优化功能的软件。 ■增加电线直径，同时成比例地减少电线匝数。在这种情况下，填充因数保持不变，生产工艺不会产生任何问题。然而，由于磁通量增加，因此会产生铁损耗。除此之外，其他性能参数也会受到影响，我们必须仔细地进行分析。 ■增加定子长度和电线直径，减少电线匝数，并保持原来的定子槽尺寸。这种解决方案能够显著减少损耗，但会导致导体和钢片成本增加。在一些情况下，设计更长的定子仍然存在限制，需要更改电机的机械设计。新的封装长度导致导体体积增加，因此，成本也会相应地增加。由于磁通量密度保持不变，因此定子电阻会降低，从而减少焦耳损耗，然而，电机的性能特征不可能保持不变，因为磁通量已经改变。 ■仅增加定子长度。在这种情况下，导体和钢片的成本也会增加。定子电阻将变高，导致焦耳损耗增加，但由于磁通量密度降低，因此铁损耗会减少，补偿了部分焦耳损耗。电机的性能特征将保持不变，因为磁通量不会改变。增加定子长度还有另一个积极作用：定子表面到定子架的传热面积会增加，由于这个原因，温度升高的程度会降低，从而减少通风系统的能源需求。因此，可以设计一种新的通风系统，以减少机械损耗。由于定子和电机的任何电气或磁路设计更改都会影响其他许多参数，因此，必须利用具有优化功能的软件，同时评估所有可能性，并选择一些选项进行原型设计。在实践中，所采用的解决方案通常是增加定子长度，减少电线匝数，同时增加电线直径。 转子焦耳损耗 转子焦耳损耗不仅仅是转子条导电率的问题。虽然生产商以及相关的技术文献已经确定了一些优良的转子条和短路环形状设计，但转子焦耳损耗也与这个因素有关系。问题并不在于如何正确地设计转子笼，而是如何确保在生产过程中不受到许多生产工艺的干扰。为了减少铸铝转子笼的焦耳损耗，必须使用模拟软件，以分析转子槽和短路环填充的质量及其与铸铝工艺参数的相关性。 为减少定子焦耳损耗，另一个需要考虑的重要方面与定子条和短路环的导电率有关，具体来讲，涉及到采用压铸铜或压铸铝的优点和缺点。2011年，万高公司进行了一项研究3，以确定用压铸铜取代传统的压铸铝来生产鼠笼式低压感应泵的可行性，作为提高效率和降低成本的一种替代方案。一项关于15kW、4极IE3电机的案例研究表明，如果要用压铸铜取代传统的压铸铝来生产电机外壳，以使工业三相感应电机具有成本优势，那么铜的报价（价格/公斤）不得高于铝价的1.1倍。 机械损耗 为减少电机总损耗，最佳做法之一是采用良好的通风系统设计，特别是2极电机。除此之外，集成式通风系统是2极和4极TEFC和ODP电机产生噪音的最主要来源。由于效率高，IE4电机内部的排热需求较少。因此，我们可以优化通风系统，以减少机械损耗，进而降低噪音水平。需要考虑的方面包括： ■散热片的几何形状：两个邻近散热片的高度与宽度之间具有密切的关系。必须精心设计散热片，以提供最佳散热效果。数值模拟软件有助于验证最佳几何形状。同时，还必须考虑到生产工艺的局限性，如油漆困难以及压铸铁架（或者压铸铝架）的质量。 ■接线盒的位置：接线盒的设计不得干扰机架表面上以及散热片通道的空气流动。接线盒的位置必须尽可能靠近驱动器端盖，以确保空气流几乎完全抵达所有机架表面，从而更高效地排除热量。同样地，必须采用数值模拟工具来分析空气流的特点。非常重要的是，必须确保空气以湍流方式流动，以便更高效地散热。 ■端盖：建议驱动器端盖安装散热片，以散掉轴承摩擦产生的热量或者轴承从电机内部传递到外部的热量。非驱动器端盖表面（风扇安装位置）必须非常平滑，因为该区域的空气量非常大，任何尖利的几何形状均会导致噪音水平升高。 ■风扇及端盖：除了效率之外，我们还需要考虑噪音。为了减少损耗，同时避免出现可能引起通道噪音的压力偏差，必须精心设计几何形状和叶片数量、端盖形状（以避免漩涡）、风扇与端盖表面之间的轴向距离、风扇与风扇盖之间的径向间隙以及空气入口与风扇的距离。图3显示了为减少损耗和降低噪音水平，万高对W22平台通风系统作出的改进。 铁损耗 在感应电机的总损耗中，铁损耗占很大一部分。我们似乎很容易认识到，减少感应电机铁损耗的最简单方法就是，采用比目前质量更高、损耗更小的硅钢片（通常为较薄的叠片）。令人遗憾的是，这种解决方案通常会导致电机成本大幅增加。另一种解决方案是降低磁通量密度，但在这种情况下，为确保原来的电机性能不受影响，需要增加磁材料量，因此，硅钢片的成本同样会增加。另一方面，为减少铁损耗，同时不增加成本，必须采取以下措施： ■硅钢片应力消除热处理，以恢复定子齿边界的磁特性，特别是那些较窄的定子齿。 ■采用磁导率高（例如1.5 T）且成本不变的硅钢片。功率因数增加，从而减少电流，并最终减少定子的焦耳损耗。 ■如果采用全新的设计，非常重要的是寻求最佳的定子槽/定子齿宽度比。通常情况下，大多数用于计算电机性能（包括铁损耗）的软件都会考虑通过Epstein机架测试获取的硅钢片材料磁饱和度（BH）曲线。然而，此程序并不准确，因为Epstein机架测试样本中的磁通量特征与电机实际产生的磁通量是不同的。Epstein机架测试并没有考虑旋转损耗，如定子齿与定子磁轭接合点出现的旋转损耗。在实际的电机中，硅钢片的磁属性应该通过测试获取，并且此信息应该用于计算其他类似电机的性能。 然而，确定电机铁损耗的标准测试并不是非常准确，因为所采用的方法是间接的。为了正确评估硅钢片的属性，万高公司开发了一款三相电磁装置，以确保所产生的磁通量能够代表电机的实际磁通量。通过考虑硅钢片的几何形状和磁场旋转部件，该装置能够评估定子产生的磁损耗。不同于线圈环测试，上述装置能够评估定子中产生的总磁损耗，包括定子磁轭与定子齿产生的损耗。如果需要评估定子铁芯产生的损耗，将该测试装置放到转子中即可（见图4）。 在Epstein机架测试中，在50Hz下评估了四个感应水平的磁损耗。通过此方法获取的结果表明（见图5），在所评估的三家供应商中，可以将“A”归入最佳供应商，将“B”归入最差供应商。供应商B在1.7T条件下的磁损耗作为参照标准。采用该电磁装置进行测试时遵循了与Epstein机架测试相同的步骤。然而，所观察到的磁属性并不相同。通过该三相电磁装置所获取的结果显示在图6中。我们可以看出，供应商“B”仍然是最差的，但现在最佳供应商是“C”，而不是供应商“A”。图5和图6显示的结果包含从这些测试中得出的平均损耗，显示了根据T抽样分布的最大限度和最小限度。 在实际电机处于空转状态时进行的测试中，我们评估了额定磁通量条件下（380V/50Hz）的磁损耗。经确认，测试结果与上述电磁装置的测试结果是一样的，供应商“C”仍然是最佳的，供应商“B”是我们调查的三家供应商中最差的。 额外损耗 许多时候，额外损耗均被理解为铁损耗。虽然额外损耗和铁损耗都主要在电机的铁磁零件中产生，但它们实际上具有不同的性质。铁损耗是在额定频率下产生的，而额外损耗则是由于脉动磁通量而产生的高频率损耗。在空转状态下，额外损耗是指“脉动损耗”；在负载运行状态下，额外损耗是指“杂散负载损耗”。 脉动损耗（在空转状态下）：脉动损耗基本上是由于定子齿的磁通量变化而在转子表面产生的涡流损耗。而定子齿产生磁通量变化是由于定子与转子之间的相对槽开口（磁阻变化），并且在空转状态下已经存在。 杂散负载损耗（在负载运行状态下）：杂散负载损耗主要在定子齿和转子齿、转子表面和转子笼条上产生，原因在于负载运行状态下出现的空间感应谐波。 其他被视为额外损耗的损耗包括： 定子槽集肤效应：通常情况下，人们总是忽略低压电机因定子槽集肤效应而产生的损耗。但当定子绕组匝数较小时，特别是对于变频驱动器（VFD）应用，非常重要的一点是考虑集肤效应。集肤效应是由于相对于沿着定子槽的漏磁通量来说感应分布不均匀引起的。它可以被理解为导体电阻增加，从而导致损耗增加。谐波损耗：与通风损耗和摩擦损耗一样，谐波损耗被视为电机的一个负载。因绕组电流而产生的每个空间感应谐波均可被理解为一台小型电机，具有相对于基本转矩的正转矩或负转矩，具体取决于谐波的旋转方向。相比其他损耗，谐波损耗并不是很大，但当我们需要减少各类小损耗时，我们不能忽视它。减少谐波损耗的方法是设计尽可能接近正弦形的绕组，以消除空间感应谐波量。 另外，一些转子生产缺陷（如钢片毛刺和钢片之间较低的接触电阻）也可能会造成表面的额外损耗增加。如果钢片与转子笼条之间的电阻较低，则会导致转子条之间的电流增加，从而产生焦耳损耗。同时，气泡或质量不佳的压铸转子也会导致损耗增加。充分了解这些缺陷的性质、原因和后果，对于改进工艺流程来说是绝对必要的。 超一流高效电机新技术 开关磁阻电机 开关磁阻电机的定子采用集中式绕组，转子笼采用的不是压铸铝，而是钢片，也没有永磁体，并具有突出的齿部。因此，转子内不会产生焦耳损耗。 图7显示的例子是一台四相开关磁阻电机，具有8个定子齿和6个转子齿。绕组电感因转子的位置而异；磁阻转矩与直轴电感值（最大值）和正交轴电感值（最小值）（分别为Ld和Lq）之间的差额成比例。 开关磁阻电机具有机械简单性、耐用性和可靠性等优点，但其需要复杂的电子控制。如果各应用均采用适当的设计，开关磁阻电机则比相同功率的感应电机具有更高的效率和功率密度，但存在显著的转矩脉动。因此，开关磁阻电机通常具有较高的振动和噪音水平5，这一直限制着它的广泛使用。 同步磁阻电机 同步磁阻电机采用常规的多相交流定子，转子笼采用的不是压铸铝，也没有永磁体，但存在创建电枢磁通量首选路径的磁通量势垒，从而造成直轴电感值与正交轴电感值出现差异。与开关磁阻电机相反，同步磁阻电机更容易通过适当的设计，降低转矩脉动和噪音水平6，并提供正弦波交流运行（旋转磁场）。电机性能在很大程度上取决于转子铁芯片中磁通量势垒的几何形状7。为了拥有可与感应电机相媲美的性能，同步磁阻电机的凸极比（Ld/Lq）必须保持在7-10的范围内8，这可以通过设计较高的各向异性转子来实现，例如轴向叠片转子（见图8），但同步磁阻电机比传统的横向叠片电机具有更复杂的生产工艺（见图9）。 同步磁阻电机具有一些非常有吸引力的特点：活性材料的成本可与感应电机的材料成本相媲美，比高能量永磁电机的成本低很多；转子斜极的简单性；磁通量减弱功能，这对于获取较高的速度非常重要；严重超载的适应性6。另一方面，功率因数不佳，相比等效的感应电机，电流高出40%。效率可与感应电机相媲美。 永磁电机 在各种电机中，永磁电机提供最高的效率，并且具有较高的功率因素，原因在于转子无焦耳损耗、永磁体的励磁通量、较高的转矩-电流和转矩-体积比、紧凑性和快速动态响应等。铁氧体磁铁通常用于低功耗应用（必须确保低成本），钕铁硼（NdFeB）永磁体则广泛应用于工业电机中，以提供更好的性能。 正弦波永磁电机（或称为无刷交流电机）属于同步电机，通常采用与感应电机中类似的定子绕组。方波永磁电机（或称为无刷直流电机）采用集中式定子绕组，通常用于低功率应用中。由于转矩脉动和噪音水平较低、效率较高等特点，正弦波永磁电机适用于工业应用。永磁电机具有各种转子配置，究竟何种配置最佳将取决于应用需求。 表面安装式永磁电机 这种电机指的是，永磁体安装在转子表面。这有利于转子的生产，因为我们子叠片内部。其具有多种转子拓扑结构，图12、图13、图14和图15分别显示了其中一些结构。 由于这种电机具有较高的电感，因此，磁通量减弱能力有所改进，并且这种电机比表面安装式永磁电机适合更广泛的速度范围。另外，由于这种电机具有磁性凸极性，因此总转矩包含磁阻转矩部分，其可以通过适当的控制策略（如电流角度改进）添加到永磁体提供的转矩中。 外部转子永磁电机 外部转子永磁电机比内部转子电机具有更高的转矩/体积比。永磁体安装在电机的内表面上，通过转子磁轭抵抗离心力。转子装配非常便利，因为与内部转子表面安装式永磁电机一样，我们可以在磁化之前将永磁体安装到位。转子绕组可以采用分布式或集中式，通常采用后者。图16和图17分别显示的是外部转子8极电机和外部转子16极电机的例子。 图16中的电机可用于功率为几千瓦的定制化风扇应用中，叶片可以直接安装在转子的外表面。图17中的电机非常适合高转矩、低速度应用，如直接驱动型洗衣机、电梯和冷却塔。 电子整流（EC）电机 电子整流电机属于永磁电机，通常用于低功率变速应用（住宅和商业应用），取代单相低效感应电机。低功率使电子控制设备能够集成到电机中——电机外壳内部或者连接到NDE端盖。这种电机通常采用集中式绕组，并在转子表面使用铁氧体磁铁（见图11）。 这种电机比罩极电机和分相电容器式电机具有更高的效率，供暖、通风机空气调节（HVAC）应用对这种电机的需求正日益增长，这类应用不仅需要高效率，而且还要求具备装配简单、连续速度控制、紧凑性、重量较小和噪音水平较低等优点。 自起动永磁电机 自起动永磁电机属于感应/永磁混合电机，其将异步起动与同步稳态运行结合在一起。定子绕组采用常规的分布式绕组，而转子则采用鼠笼与永磁体安装在鼠笼下方这种特殊组合设计。与常规的感应电机一样，这种电机可以通过主电源直接启动和加速，无需电子控制设备，然后被永磁体拉入同步运行状态。在此之后，电机将同步运行，无需转子电流。由于稳定状态下的铜损耗较小（仅产生谐波损耗），因此电机能够实现（比感应电机）更高的效率。然而，由于这种电机没有电子控制设备，其无法在最大转矩电流比条件下运行。出于这个原因，这种电机比前面讨论的永磁电机具有更低的转矩体积比。总的来说，自起动永磁电机仅限于低惯性应用。如果负载惯性比允许的最大惯性较高，电机将会启动，但不会同步化。 结论 本文主要介绍了感应电机损耗的基本概念以及减少损耗的方法，以达到IECIE4效率水平。另外，本文还介绍了新型电机技术，如永磁电机、开关磁阻电机和同步磁阻电机，并重点介绍了它们的主要特点。何种技术最佳不仅仅取决于效率，我们还必须充分考虑其他特点，如成本、尺寸和重量、可靠性、速度范围、噪音、振动、维护简单性和总体性能等。 严格就效率而言，我们可以说永磁电机具有最佳性能，因为其不会产生转子损耗，因此，永磁电机能够在转矩恒定、频率较低的条件下展现更好的性能。然而，经过适当设计和生产的感应电机也能够达到IE4效率水平。并且，我们还可以通过采用最佳磁通量解决方案，提高感应电机在转矩恒定、频率较低条件下的性能。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/31/2014)