电机效率提升策略与低谐波绕组应用研究

摘要

针对电机效率的五大损耗进行深入剖析，本研究针对各类损耗特征，提出了针对性的解决方案，并通过实证试验验证了各方案的有效性。综合评估发现，采用双层同心不等匝低谐波绕组在降低损耗、降低成本及工艺实施性等方面展现出显著优势，对于高效电机的研发与生产具有广阔的推广价值。安徽皖南电机

引言

在全球能源紧张的大背景下，电机系统耗电量在各国能源消耗中占据重要位置。面对能源形势的严峻挑战，世界各国纷纷开展电机系统节能工作。我国电机总装机容量达17亿千瓦，消耗社会用电量的60%至70%，国家在“十二五”规划中明确提出节能减排的具体目标。

本研究对影响电机效率的五大损耗进行了系统研究，并针对不同损耗特性提出了相应的提升电机效率的策略，通过实验研究总结出开发高效电机的方法。

1、高效电机性能分析

1.1降低电机损耗的措施与方法

（1）降低电机铜耗的措施

定子侧铜耗与定子电流及绕组电阻密切相关，降低绕组电阻的常用方法是增大绕组截面积，从而降低绕线电阻和电密。然而，这一方法受槽满率等多因素制约。因此，在高效节能电机研发中，部分规格电机扩大了冲片外径，以增加槽面积，容纳更多铜线。此外，通过优化绕组端部设计，缩短端部长度，可降低整个绕组的电阻。目前，大部分电机采用铸铝转子，而铸铜转子的电机理论上转子损耗可降低38%，采用铸铜转子电机可有效提高电机效率。皖南电机价格表

（2）降低铁耗的措施

降低铁耗*常用的方法是采用磁导率高、损耗低的优质硅钢片。硅钢片厚度是影响电机铁耗的重要因素之一，国内主流硅钢片厚度为0.5mm，而国外产品多采用0.35mm甚至0.27mm厚的硅钢片。硅钢片厚度减小，磁性能也随之提升。降低电机铁耗不仅需合理设计电机磁路，还需考虑电机铁心制造工艺的影响。通常，硅钢片加工成铁心压入机座后，铁耗会大幅增加。目前，常用的冲片退火工艺是在冲片冲剪后进行退火处理，以消除应力，恢复冷轧硅钢片的良好性能，从而降低铁耗。

（3）降低机械损耗的措施

机械损耗分为通风损耗和摩擦损耗。通过优化风路结构，改进风扇及风罩设计，可有效降低通风损耗；摩擦损耗可通过采用优质低摩擦轴承和低摩擦润滑油脂等措施降低。

（4）降低杂散损耗的措施

杂散损耗可通过优化设计和工艺等措施降低。设计上采用优化气隙、采用低谐波绕组、优化槽配合等；工艺上对转子槽进行绝缘处理，降低转子高频横向电流损耗，用冲出气隙代替车削气隙，降低转子表面高频损耗等。此外，电机端盖等实心零件可采用非磁性材料，限制漏磁场引起的涡流损耗。

1.2低谐波绕组技术的研究

定子绕组形式决定了绕组的基波分布系数和谐波含量，对电机性能有较大影响。皖南电机常用的定子绕组形式有单层绕组和双层绕组，其中双层绕组可采取长、短距等措施降低谐波含量。低谐波绕组可采用不等匝数、“△-Y”串联等方式产生接近正弦的气隙磁通。对于高效电机，采用低谐波绕组可改善电机的磁势波形，降低电机杂散损耗。

在低谐波绕组中，双层同心不等匝绕组易于实现，无需改变出线形式，具有良好的工艺可实现性。此外，可节省铜线，实现节材和提高效率的双重效果。不等匝低谐波绕组实质上通过适当分配槽内导体数，使槽电流沿铁心表面按正弦规律分布，从而得到接近于正弦形的磁势曲线。以下以每对极为18槽、q=3的短跨距单元电机为例，说明低谐波绕组线圈匝数比的计算方法。

当A相电流达到*大时，基波磁势幅值将与线圈匝数成正比，解这个方程组，即可得到各个线圈的匝数比。据此，我们编制了基于双层同心不等匝绕组的电机设计软件，专门用于低谐波绕组电机的设计。

2、高效电机设计效果的验证

2.1增加有效材料提高电机效率

增加有效材料有两个方面：一是增加电机铜、铝的用量以减小定、转子电阻；二是采用更高性能材料，如采用高性能硅钢片以减小铁耗，采用铸铜转子以减小转子铜耗等。表1是4台分别满足3级能效和2级能效的45kW-2电机的损耗及有效材料使用情况。从表1中数据可以看出，效率的提升主要源于定、转子侧铜耗及铁耗的减少，其中定子侧铜耗、转子侧铜耗和铁耗平均减少了20%～30%。结合表1数据和这几台电机的设计制造过程总结出提高电机效率的主要采取以下措施。

（1）增加铁心长度，增加绕组截面积

45kW电机3级能效到2级能效铁心长从200mm增加到230mm，长度增加了15%。在满足同样磁负荷的情况下，铁心长度的增加可以减少电机的匝数，从而可以增加单匝线圈的截面积，减少了定子电阻。

（2）采用更高性能硅钢片

采用了单位铁损更低、性能更好的硅钢片，在铁心长度增加的情况下，总的铁耗却减少了。

（3）扩大槽型尺寸，增加铜线和铸铝的用量

2级能效比3级能效用铜量增加了22.4%，用铝量增加了6.9%，这直接导致了定、转子电阻的降低。

2.2改进工艺提高电机效率

对冲出电机气隙工艺制作了样机，并与普通电机进行了试验对比，对比结果见表2。表2中的4台22kW-4样机是按照2级能效（即IE3，93%）进行的设计，其中1号、2号样机采用的是冲出气隙，3号、4号样机采用的车削气隙。从表2中可以看出，1号、2号样机的杂散损耗大大低于3号、4号样机的杂散损耗，平均低30%左右，说明直接冲出气隙的方法对减少杂散损耗效果明显。

冷轧硅钢片冲剪后沿冲剪分离线的边缘由于塑性变形引起了内部应力的积聚和物理性能的变化，导致冷轧硅钢片的导磁性能降低、铁耗增加，这对充分利用冷轧硅钢片的优良导磁性能带来了不利因素。选择合适的退火处理工艺可以消除冲剪应力，恢复冷轧硅钢片的性能。对几个规格电机的冲片退火工艺进行了专门的试验研究，性能对比见表3。通过对比可以看出，退火的电机铁耗要小于未退火的电机，并且由于硅钢片磁性能的恢复，电机的功率因数也有所改善。安徽皖南电机

2.3采用低谐波绕组提高电机效率

利用自主开发的电磁计算软件，我们对几个规格的电机进行了绕组改造。采用双层同心不等匝绕组后，谐波含量大大减少，以一台110kW-4电机为例，绕组改变前后各次谐波系数变化情况见表4。从表4中可以看出，采用双层同心不等匝绕组后，基波系数为原来的98.8%，变化不大，而其他次谐波系数均有较大幅度减少。高次谐波含量的减少可以减少电机的杂散损耗。

采用同心式绕组后端部可以缩短，节省了铜线的用量。绕组改造前后用铜量的变化见表5。其中110kW-4电机的端部没有刻意缩短，能够节省铜线6.3%，而15kW-6电机和55kW-2电机缩短了端部的同时稍微调节了线规，能够节约铜线10%左右。

采用低谐波绕组的样机与普通绕组样机测试数据对比见表6。通过对比表6中测试数据可以看出，采用低谐波绕组后，杂散损耗减小了40%～50%，提高效率0.4～0.7个百分点。通过合理的设计将普通绕组换为低谐波绕组，在节约电机成本的同时能够降低电机的杂散损耗，提高电机效率，节能增效成果十分明显。

2.4不同措施效果的比较

通过以上理论分析和样机的实际测试验证，可以看出不同的措施对于提高电机效率产生的效果和付出的成本各不相同。长期以来，国内大部分电机制造企业设计生产高效电机的主要手段就是增加有效材料的利用，随着电机能效等级的不断提升，这种做法越来越有局限性；直接冲出气隙工艺能够大大减小杂散损耗，但是对转子铁心的制造水平要求较高；退火能够降低电机的铁耗但是需要专门的工艺和设备保障；而用双层同心低谐波绕组，仅需改变绕组的下线方式，工艺可实现性强，不仅能够提高效率还能节省铜线，在高效电机的试制中效果明显，具有广阔的应用前景。