第六章 新型高效节能电动机.docx

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第六章新型高效节能电动机

第六章新型高效节能电动机

§6-1提高三相异步电动机能效的原理及措施

§6-2改造电动机提高能效

§6-3三相复合绕组异步电动机原理简述及应用

电动机作为风机、水泵、压缩机、磨机等各种设备的动力源，广泛应用于工业、农业、交通等各个领域。

据统计，电动机的用电量在全国的总用电量中占有相当大的比重，其用电量约占工业用电量的66%，占全国总用电量的50%左右。

因此，提高电动机的效率、积极推广高效率电动机或节能电动机的应用，对国民经济建设、能源节约及环境保护等都具有积极的促进作用。

目前，世界上许多国家对电动机系统的节能均给予了高度重视，制订和实施了有关电动机的能效标准。

我国制订的“中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价值”（GB18613-2002）标准将有助于节能电动机的应用和推广。

相信随着能源节约和环境保护日益受到国家和社会各方面的重视，节能电动机一定会越来越多地在国民经济各个领域得到应用，为国家的能源节约和环境保护做出了贡献。

§6-1提高三相异步电动机能效的原理及措施

1、电动机的损耗和效率

电动机中的损耗主要由下列五部分组成：

1）满载时，定子绕组在运行温度下的电阻铜耗；

2）满载时，转子绕组在运行温度下的电阻铜耗；

3）铁心中磁场所产生的涡流和磁滞损耗；

4）风摩耗包括风扇及通风系统的损耗，电机转子表面即冷却介质的摩擦损耗、轴承摩擦损耗等。

风摩耗的产生与电机转速、通风方式、风扇形式、风扇外径、转子外径、轴承类型、润滑特性及装配质量等有关；

5）杂散损耗为电机中除了上述四种损耗以外的全部损耗。

杂散损耗主要由杂散铁损耗和杂散铜损

耗组成。

按工作状况可分为空载杂散铁损耗和负载杂散损耗。

这些损耗的大小与设计和制造工艺有关，还与绕组形式、节距、槽型、槽数、槽配合、槽绝缘、气隙长度、绕组端部与端盖等构件距离、槽中导体高度、生产制造工艺的控制水平等因素有关。

电机效率是衡量电机性能好坏的重要技术经济指标之一。

电动机的效率

与损耗相对值（

）的关系如下式所示：

=1-

式中：

——电机总损耗

——电机输入功率

随着电机功率的增大，单位功率损耗相对减小，效率提高。

普通大容量电机效率一般为95%-98%，小容量电机一般为80%-92%。

所谓高效率电动机，只有一个定性的概念，即设计制造出的电机效率较普通标准电机效率高出一定水平。

减少总损耗是提高电机效率的唯一途径。

统计可知：

如一通用系列的效率平均值为0.87，作为高效率电机系列，其损耗如平均下降20%以上，则系列的平均值也应提高2.6个百分点以上。

2、提高三相异步电动机能效的措施：

由于电机的损耗分布随功率大小和极数不同而变化，因此为降低损耗，应着重对不同功率和极数时的主要损耗分量采取措施，现将降低损耗的一些途径简述如下：

1）增加有效材料，降低绕组损耗和铁耗

根据电机相似原理可知，当电磁负荷不变，并且不考虑机械损耗时，电机的损耗约与电机线性尺寸的3次方成比例，而电机的输入功率约与线性尺寸的4次方成比例，由此可见损耗与有效材料尺寸的线性增长成反比。

2）采用较好的磁性材料和工艺措施以降低铁耗

要提高电机的效率，从理论上讲希望尽可能提高电机线负荷和气隙磁通密度，实际上前者受到绝缘等级和冷却方式的影响，不过随着冷却技术的进步，线负荷取值可以提高，后者因受所用普通硅钢片材料低磁导率的影响，若采用高磁导率尤其是在中高磁场下具有磁导率高、比损耗低优质冷轧硅钢片，可为提高气隙磁通密度、调整线负荷和线电流密度提供条件。

应用高磁导率、低比损耗冷轧硅钢片或在应用优质硅钢片的基础上对电机整体进行优化调整，并同时采用其他相关技术，对提高电机效率有明显效果。

在条件允许的情况下，还可以使用常温超导材料，使电机损耗得到更大的降低，进一步提高电机效率。

3）缩小风扇降低通风损耗

对于较大功率的2、4极电机，风摩耗占有相当大的比例。

风摩耗主要由风扇消耗的功率所构成。

由于高效率电机的热耗一般较低，因此冷却用风量可减少，从而通风功率也可减少。

通风功率约与风扇直径的4-5次方成比例，因此在温升许可的情况下，缩小风扇尺寸可有效地降低风摩耗。

此外通风结构的合理设计，对提高通风效率降低风摩耗也是重要的。

由于通风损耗下降幅度较大，而且不需要增加多少费用，因此改变风扇设计往往是这部分高效电机所采取的主要措施之一。

采用轴流式（尤其是叶片为机翼型）或后倾式风扇；配以形状合适的风罩，严格控制风罩的变形和椭圆度；采用优质低摩擦轴承，考虑轴承密封方式和密封材料，轴承紧固方法和轴承间隙，采用摩擦阻力矩小的润滑油脂，降低风扇旋转所产生的风摩损耗与轴承损耗。

4）通过设计和工艺措施降低杂散损耗

异步电机的杂散损耗主要是由磁场高次谐波在定转子铁心和绕组中所产生的高频损耗。

为降低负载杂耗可通过采用正弦绕组或其他低谐波绕组来降低各次谐波的幅值，从而降低杂耗。

还可采用较多的定、转子槽数以降低齿谐波幅值，从而使这部分谐波引起的杂耗下降。

在工艺上可通过转子槽绝缘处理工艺来降低转子中的高频横向电流损耗，也可通过冲出气隙工艺来改变表面高频损耗。

对转子槽进行绝缘处理，改进转子表面的切削加工方法等；通过改进电机结构和采用非磁性材料，来限制在漏磁场中的实心金属零件因磁化引起涡流产生的损耗。

5）改进压铸工艺，降低转子损耗

通过控制转子铸铝时的压力，温度以及气体排放路径等措施，减少转子导条中的气体，从而提高导电率，降低转子铝耗。

如以铸铜转子取代铸铝转子，转子损耗可下降38%。

6）应用计算机优化设计，降低损耗提高效率。

7）采用较大截面积的铜导线，缩短绕组端部长度，增大电机的槽满率，达到减少导线电阻与电流，

降低铜损的目的。

8）冲片退火工艺验证：

冷轧硅钢片对冲剪应力比较敏感，从理论上说，冲剪以后进行退火处理，

可以消除应力，恢复冷轧硅钢片的良好性能，但由于增加一道退火工艺，给制造过程带来很多麻烦，同时也增加了成本。

§6-2改造电动机提高能效

对运行中电动机的状态测试后，经数据处理并计算电动机综合效率

，从而判定电动机实际运行状态（若不属于现行系列，还应计算出与之相同或相近规格现行系列电动机的额定综合效率

和允许综合效率

）。

经济运行状态

≥

，允许运行状态

＞

≥

，非经济运行状态

＜

。

若对运行中的电动机通过测试和计算的结果证实，被测电动机工作在“非经济运行区（状态）”，即不符合经济运行的要求，应结合电动机及其传动系统的具体情况，分析查找处于非经济运行状态的原因，提出有针对性的节能改造和更换措施。

本节所述的节电改造，是针对目前各工矿企业使用中相当数量的各种不同类型，处于非经济运行状态的老式电动机，除了采用更新为高效率电动机外，有的可采用降低电动机的铁损、杂散损、机械风磨损、定子转子铜损等措施，使之处于经济运行区或允许运行状态达到节电目的。

1.电动机更换或改造的基本原则

（1）电动机处于非经济运行状态，当采用更换或改造电动机措施时，必须满足机械负载拖动要求，使新电动机进入经济运行状态或允许运行状态。

（2）电动机的更换应根据工作环境、拖动负载，在国家现行系列产品中合理选择防护等级、电压等级、工作额定，以及考虑是否选用变速高效电动机等。

2.采用槽泥或磁性槽楔改造低压电动机

应用磁性槽泥（低压中小功率电动机）和磁性槽楔（高压大功率电动机）对异步电动机节能改造，主要机理是消灭由电机定子、转子槽齿效应产生的高频涡流损耗和磁滞损耗，减少气隙中磁场脉动的幅值，使电机的杂散损耗减小。

3.采用节能风扇技术改造

（1）降低电动机的机械损耗（风摩损耗）

机械损耗是轴承摩擦损耗和冷却风扇连同转子一起旋转时（有的电极包含碳刷和滑环、整流子）的风摩损耗之和，约占总损耗的5%-8%。

在开启式低速电动机中，这些损耗是微小的，但是在大型高速电动机或全封闭风扇冷却型电动机中，这些机械损耗就比较明显。

全封闭性电机靠机械座外表面散热（80%热量靠机座及散热筋表面带走，只有小部分通过端盖等表面散走），要求风量较其他结构型式为大，外风扇的功耗就大。

另外，若容量相同，电机的转速越高，电机体积越小，散热要求的风量也越大。

风扇的功耗与转速接近三次方关系。

加之外风扇大都采用低效率的盆式风扇，通风系统设计又不太合理，因此采用高效节能风扇十分必要。

（2）电动机采用高效节能风扇

高效节能电机冷却风扇除了采用单方向旋转的电机风扇之外，对于封闭外扇冷却的电机应推广使用轴流风扇。

这是因为封闭电机外风路的风阻较小，机座散热筋风沟内气流主要沿轴向，宜采用压头低，风量大的轴流式风扇，其效率高、噪音低，尤其是机翼型的叶片。

另外，按比转速特性参数的大小来选择，轴流式风扇或后倾叶片离心式风扇。

4.电动机绕组改接

通过改进电动机的绕组形式，可减少电动机的杂散损耗与铜损，提高电动机的效率。

合适的绕组形式及槽配合，能够削弱电动机的高次谐波，提高基波分布系数，提高绕组利用率，改善电动机的电磁性能，从而达到减少部分附加损耗、有功损耗的目的。

5.定子绕组重绕

（1）老电机定子绕组的重绕

对于老电机产品，定子绕圈重绕时，如按导线总截面积不变的原则去选择代用导线时，由于槽内绝缘变薄，会使槽满率大大降低，虽然嵌线容易，但会带来不良后果。

因此，老电机定子重绕时，应加粗导线线径，电阻越小，会使铜损降低，经计算加粗导线后，电机效率可提高1.5%-4%。

因此，节电的收益已很可观，潜力不小。

当裸铜线线径增粗时，会使电机提高出力。

如果电机输出功率不变时，则由于电流密度降低，电机效率提高，温升降低。

（2）以铜线代替铝导线的重绕

过去极少数电动机曾采用铝导线，现在都应改为铜导线重绕，一般可遵循保持定子铜损不变原则，由于铜线电阻低，定子线圈铜耗

R也下降了，假定电流相同，铜损降低，大约铜损下降40%左右，效率提高2%-4%。

说明过去的铝线电机改绕铜线，节电效益显著。

（3）提高电机绝缘等级

老电机为A级绝缘，目前中小电机基本上为E级绝缘，随着电机制造水平进步，有必要把E级绝缘改为B级绝缘，电机寿命延长了，电机安全可靠运行有了保障。

另外，提高电机绕组绝缘等级可以显著降低通风损耗，例如由E级绝缘提高到B级，允许提高温升5摄氏度，可减少外冷却风量20%左右，通风损耗将减半。

而由E级提高到F级，允许提高温升25摄氏度，风量几乎可以减半，通风损耗低更为显著，仅是原来风耗的12.5%。

§6-3三相复合绕组异步电动机原理简述及应用

针对传统三相感应电动机的结构及工艺，我们总结了以上提高电动机效率，节能降耗的具体措施，这些将为改造传统异步电动机时提供参考。

为了满足进一步更大幅度提高电动机效率的要求，电机行业除了积极研究降低损耗更有效的措施以外，还需积极研发新型的高效率电机。

针对在工业、电力行业广泛使用的三相异步电动机，目前市场上使用的新型高效节能电动机有变频调速鼠笼异步电动机，对于重载绕线式异步电动机尚没有新型的高效节能电动机。

在传统绕线式异步电动机中，滑环和电刷装置是必不可少的，这些装置增加了传统绕线式电动机结构、加工工艺的复杂性，同时由于电刷及滑环装置上长期流过运行电流，会产生一定的电损耗及摩擦损耗，降低电机的运行效率，并使绕线式电动机的故障率及维修成本大大提高。

只有取消传统绕线式电功机的滑环电刷装置，才能彻底解决由于滑环和电刷装置带来的这些弊病，基于这种思路，大力公司依托华中科技大学国家级电机专业实验室的强大科研力量，发明了新型无滑环、电刷装置的绕线式高效节能三相复合绕组异步电动机。

1、新型三相复合绕组异步电动机特点

该新型高效节能电动机复合绕组设计技术是国家发明专利，获中国专利金奖，在国际电机设计领域内具有独创性、技术领先性。

该技术把定子绕组结构和转子绕组结构看成一个有机整体，综合起来研究，转子绕组结构的变革与定子绕组结构的变革紧密配合，互相呼应，不仅解决了传统绕线式电机由于存在滑环、电刷装置而引起的能效水平低、故障率高，以及传统鼠笼电机普遍存在的笼条断裂等问题，还具有良好的起动性能和较高的运行性能，通过调整设计参数可以满足不同负载的起动要求。

该设计方案通过探求新的电机起动原理及方式从电动机本体出发成功实现了电动机的高起动特性、高运行性能和高可靠性，同时电机结构简单,做到无滑环、无电刷、无电触点，取消了目前大多数电动机起动、经济运行所必需的辅助设备，节省一大笔投资，并将电动机的运行性能提高，具有明显的节能效果。

该电动机的主要特点有：

①该系列电动机采用了定子绕组变极起动技术和转子复合绕组技术，取消了绕线转子的电刷、滑环，电机起动控制简便，无需其它附加起动设备；

②与传统绕线式电动机的起动性能相比，该系列电动机独特的转子复合绕组设计技术保证了电机起动时在较小的起动电流下提供较大的起动转矩。

③该系列电动机在结构上取消了传统绕线电机的电刷、滑环装置，很大程度地降低了电机的故障率及维修费用，电机的可靠性、效率及系统的综合节电率都大大提高，节能显著；

④该系列电动机转子采用了复合绕组技术，使得在起动过程中起动电流大大降低，并且转子绕组发热均匀，代替传统的笼型电动机后，可彻底解决笼型电动机转子断条及转子瑞环断裂等类似故障的发生。

2、新型三相复合绕组异步电动机原理简述

根据交流电机绕组理论，利用“对称轴线法”将定子绕组设计成具有可通过开关转换的两种不同联结方式，即“起动方式”和“运行方式”。

定子绕组按“运行方式”联结而接入电网时，定子产生一个很强的基波磁场，其他谐波磁场含量少、幅值小。

当定子绕组按“起动方式”联结而接入电网时，定子产生一个较强的起动磁场波，其极数与基波的不同。

起动时定子绕组按“起动方式”联结投入电网，依靠定子产生的起动谐波及其转子感应电流所经回路电阻较大来降低起动电流、提高起动转矩，从而提高电动机的起动特性。

把定子绕组改为按“运行方式”联结接入电网，则起动谐波被消除，电动机在基波作用下进入正常运行。

这时转子电流所经回路的电阻很小，因而运行效率很高。

针对定子产生的基波磁场极对数和所选的起动谐波磁场极对数将转子绕组设计成：

配合定子绕组的变极起动及运行方式，转子绕组自动改变极数，其转子参数自动调节。

由起动谐波磁场感应于转子中的电流，与由基波磁场感应于转子中的电流，自动分流，各走各的电路。

起动谐波磁场产生的电流所经电路具有较大电阻，而基波磁场产生的电流所经电路的电阻则很小，因此，只凭改变定子磁场的极对数，便能控制转子电流所经电路是高电阻还是低电阻，从而实现了转子电路上无集电环、无电刷、无触点。

3、新型三相复合绕组异步电动机节能性分析

三相复合绕组异步电动机具有明显的节能效果，从理论上作如下分析：

1）．三相复合绕组异步电动机取消了传统电机由于集电环、电刷所引起的一切故障，使电机的可靠性显著提高，电机的能耗相应降低，其消除的能耗有：

电刷与集电环的摩擦损耗，电刷与集电环间接触电阻的电损耗，以及从电刷到控制柜的电缆中的电损耗。

2）．三相复合绕组异步电动机起动品质因数高，取消了传统绕线电机必须外接的起动装置，使电机及控制系统成本显著降低，系统节电率提高。

3）．通过优化设计，三相复合绕组异步电动机运行性能优于国内同类电机的先进水平，具有显著的节能效果。

首先，三相复合绕组异步电动机的高功率因数保证了三相复合绕组异步电动机运行时无需外接经济运行补偿装置，这样降低控制系统成本的同时，相应提高了系统的节电率；其次，三相复合绕组异步电动机的设计效率值高于国内同型号电动机，如果能借鉴国外高效电机先进的加工工艺，控制电机制造过程，那么三相复合绕组异步电动机的效率能更上一个台阶，赶超国外领先水平。

4）．三相复合绕组异步电动机的异步转速高于同类电机的异步转速，由此可提高磨机的产量，降低电机的耗电量。

4、新型三相复合绕组异步电动机节能案例

1）、电机负载为空压机：

将生产的JM127-8，130KW新型三相复合绕组异步电动机用于十堰锻造公司空压站的一台空压机，原空压机电机型号为JR127-8-130KW，采用频敏电阻起动。

对两种电机运行状况作对比试验，数据如下：

8月2日在原控制柜上安装了三相电度表380V/3（6）A,到8月30日,电机共运行71.5小时，电度表记录：

231（电流互感器变比300/5）。

气压为6.5kg时，电机电流为195-200A，平均电耗为116.30kwh/h。

使用三相复合绕组异步电动机后，空载起动电流为：

900A，空载运行电流为55A。

带7kg气压负载时，电机运行电流为180-195A，电机三相端电压为：

390V,395V,395V,电机从9月2日24时至9月15日24时共计运行时间共25小时，电表记录从244至315,平均电耗为100.8kwh/h,平均每小时节约15.5kwh。

新旧电机转速不一样，旧电机转速为730转/分钟，新电机转速为745转/分钟。

空压机的产气效率提高2%

新电机实际运行的功率因数为0.90以上。

根据以上对比数据，计算的综合节电率为13.32%。

按本地区电价0.50元计算，每小时节约电费7.75元左右，电机运行5807小时就可收回投资。

2）、电机负载为球磨机

鸡西赛龙水泥有限公司有两台同样负载的2号、3号球磨机，为了对比新型三相复合绕组异步电动机的节能性，我们将JM158-8，380KW，6000V新型三相复合绕组异步电动机用于2号机，3号机仍用传统的绕线式异步电动机。

3号机电源为三台2500KVA变压器并联运行，转子线到频敏起动柜长度约20m,采用三根

铜导线；磨机为2.2×7m，其额定功率为380KW，带载运行时测定的参数为：

转速737r.p.m，电压6150v，运行电流为46A,有功功率420KW,无功功率255KVAR。

2号水泥磨，磨机为2.2×7m，带载运行时测定的参数为：

满载起动，起动时间整定8S,电机实际起动时间2－3S,切换成功，电压6150v，运行电流41－43A,有功功率410KW，无功功率150KVAR，电机转速743rpm。

由以上参数可计算出2号水泥磨功率因数为0.938，效率为0.94，3号水泥磨功率因数为0.857，效率为0.91，可见改用新型三相复合绕组异步电动机后，电机的功率因数和效率得到大幅度地提升。

其节能性及投资成本分析如下：

由于电机效率提高而带来的年节电费用

其中

为负载率，

为额定功率，

，

为电机效率，H为年运行时间，按7200小时计算，C为电费，按0.5元/kWh估算。

那么使用新型三相复合绕组异步电动机后，用户每年可节约电费48000元。

由于新型三相复合绕组异步电动机运行时的高功率因数，可使电网的无功损耗减少，线损电压降低，改善电网的供电质量，同时可以提高变压器的负载率，减少线路输电导线截面积。

由于无需外加起动装置及功率因数补偿装置，电机可以直接起动及运行，因此电机控制系统简单，用户设备投资少，系统故障率低，节电率高。

根据以上分析，新型三相复合绕组异步电动机的系统节电率在5%-15%之间，节能降耗及增加产量结果视不同的磨机工况会有些不同。

综上所述，新型三相复合绕组异步电动机具有传统电机不可比拟的性能，该电机已经通过国家上海电器科学研究所检测及科技鉴定，其技术性能属国内领先，国际先进，为感应电动机的发展开辟了一条新的道路，具有非常广阔的市场及发展前景。