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电动机工作效率分析

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电动机是一种旋转式电动机器,它将电能转变为机械能。能提供的功率范围很大,从毫瓦级到千瓦级。机床、水泵、皮带机、风机等需要电动机带动;电力机车、电梯,需要电动机牵引。家庭生活中的电扇、冰箱、洗衣机,甚至各种电动机玩具都离不开电动机。电动机已经应用在现代社会生活中的各个方面。提高电动机工作效率有着极其重要的意义。

 

从节约能源、保护环境出发,高效率电动机是现今国际发展趋势,美国、加拿大、欧洲相继颁布了有关法规。欧洲根据电动机的运行时间,制定的CEMEP标准将效率分为eff1(最高)、eff2、eff3(最低)三个等级,从2003-2006年间分步实施。最新出台的IEC 60034-30标准将电机效率分为IE1(对应eff2)、IE2(对应eff1)、IE3、IE4(最高)四个等级。我国承诺从2011年7月1日起执行IE2及以上标准。

 

随着我国加入WTO,我国电机行业所面临的国际社会的巨大竞争压力和挑战日益加剧。从国际和国内发展趋势来看,推广中国高效率电动机是非常有必要的,这也是产品发展的要求,使我国电动机产品跟上国际发展潮流,同时也有利于推进行业技术进步和产品出口的需要。据统计,2002年我国电机耗电占全国耗电量的60%以上,其中小型三相异步电机耗电约占35%,是耗电大户,所以开发中国高效电动机是提高能源利用率的重要措施之一,符合我国发展的需要,是非常必要的。

 

目前我国工业能耗约占总能耗的70%,其中电机能耗约占工业能耗的60%~70%,加上非工业电机能耗,电机实际能耗约占总能耗的50%以上。而现今高效节能电机应用比例低。根据国家中小电机质量监督检验中心对国内重点企业198台电机的抽样调查,其中达到2级以上的高效节能电机比例只有8%。这对整个社会资源产生了极大的浪费。

 

电动机的效率是输出效率P2与输入效率P1的比值,一般用百分数表示,即η=(P2/P1)×100%。

  

电动机输入效率减去内部总损耗ΣP即为输出效率,即P1-ΣP=P2,内部损耗全部转换为热能。

  

希望电动机内损耗低,也就是希望电动机的效率高。通常电动机的效率在75%~95%范围。

  

电动机经修理后如果效率降低,则说明电动机损耗增大所致。由于损耗增大,电动机温升增高,绝缘寿命降低,这是所不希望的结果。

 

损耗的增大有以下的四个方面:铜损耗增大,铁损耗增大,机械损耗增大,杂散损耗增大。

  

一、电动机铁损耗增大的原因

  

1、导线规格不符,比如电磁线径选细。应按原始记录或图纸选用。

  

2、线圈尺寸做大,使线圈电阻增大。要求合理设计绕线模,条件允许时,可适当缩短线圈端部长度。

  

3、三相绕组不对称。应检查三相绕组接线,各线圈匝粗线条以及极相组接线等是否正确。

  

4、绕组并联支路内有环流。应检查绕组并联支路是否对称,有无短路点。

  

5、用不截面积的导线并绕,使各支路电流密度分布不均。尽可能选用截面积相同或相近的导线并绕。

  

6、更换的转子铜条材质不合要求,导电率低。应选用合适牌号铜材,一般笼型转子的工作笼是用紫铜、起动笼是用黄铜制作的。

  

7、铸铝转子有缺陷,如铸铝含有气孔、裂纹、断条等。可用短路侦察器检查,及时处理故障点。

  

8、绕线转子电刷压力过大,增加摩擦损耗。应调整刷压,并使各电刷刷压差在正负10%以内。

  

9、集电环与举刷装置中的短路环接触不良。

  

10、铜笼转子的铜条与端环焊接不良,使电阻增大。应测试直流电阻和检查焊接部位,查出后重新焊好。

 

二、铁损耗增大的原因

  

1、由于不正确加热拆除旧绕组,铁心冲片被短路,冲片之间的绝缘漆烧焦,增大铁心涡流损耗和磁损耗。

  

2、为了嵌线方便锉大槽口,使槽口处冲处短路,增加了铁心表面损耗和脉振损耗。

  

3、更换铁心时采用单位损耗高的铁心代替。

 

三、机械损耗增大的原因

  

1、轴承质量不佳,有缺陷或有故障。应检查轴承,确认存在质量不合格时要更换合格轴承。轴承质量合格,但因操作不当,也会造成缺陷。

  

2、填充润滑脂过多或过少,或润滑脂材质不各格等,造成机械损耗增加。应按工艺要求选用合适牌号的润滑脂和填加量。

  

3、轴承配合尺寸公差不符。应按正确的轴承配合公差配制零部件。

  

4、风扇叶变形,风扇叶与挡风板距离不合适。

  

5、绕组端部形状不符要求,增大了通风损耗。

  

6、封闭扇冷式电动机的外风扇罩与风扇外圆间隙过大增加风耗。

  

7、风扇丢失或忘记装上。

  

8、转子安装不正,使气隙不均,造成定、转子相擦,增加机械摩擦损耗。

  

9、轴承的轴瓦挡油圈与转轴相擦,增加摩擦损耗。

  

10、电刷与集电环接触摩擦损耗增加。应检查电刷牌号和滑环表面状态,选用合适电刷;清除滑环表面污垢,清除滑环缺陷。使电刷与滑环的接触面不少于75%。

 

四、杂散损耗增大的原因

  

1、绕组型式选择不当。

  

2、改极数重绕时,定、转子槽配合选择不当。

  

3、电动机铁心经锉槽口使齿谐波磁勇幅值增大。

  

4、气隙不均,要重新安装找正。

  

5、三相绕组不对称,要求尽可能用三相对称绕组,在一般情况下,不要用三相非对称分数槽绕组。

  

6、线圈重绕时,磁路过饱和,使气隙磁通波形畸变。

  

7、在直槽电动机中,并联支路选择不当。

  

8、修理有故障的铝笼时,可改为铜笼,降低铜损耗和杂质损耗。

  

9、定子铁心内圆不可轻易加工,防止冲处短路。

  

美国于本世纪初又出现了更高效率的所谓“超高效电动机”。一般而言,高效电动机与普通电动机相比,损耗平均下降20%左右,而超高效电动机则比普通电动机损耗平均下降30%以上。因为超高效电动机的损耗较高效电机有更进一步下降,因此对于长期连续运行、负荷率较高的场合,节能效果更为明显。

 

要实现从普通电机到超高效电机的效率提高,除了增加硅钢片和铜线的用量以及缩小风扇尺寸等措施外,还必须在新材料的应用、电机制造工艺以及优化设计等方面采取措施,以控制成本和满足电机结构尺寸的限制。

 

国外很多企业在这些方面开展了积极的研究,并取得了一些进展。一般电工钢片经加工成铁心压装入机座后,铁耗大幅度增加,而英国BROok Hansen公司与钢厂合作,应用一新研制成功的电工钢片,加工成铁心制成电机,铁耗在加工前后变化不大。

 

日本东芝公司是美国高效电机和超高效电机的主要供货商之一。该公司声称由于改进了制造工艺和采用新材料,使高效电机的成本下降了30%,所采取的措施包括:应用特殊的下线工具,提高定子槽满率,增加铜线的截面积;提高制造精度,缩短间隙长度,从而减小励磁电流及其所引起的铜损;采用转子槽绝缘工艺,降低杂散损耗;采用激光铁心叠压工具,使铁损下降。由于铜比铝的电阻率降低40%左右,所以如果用铸铜转子代替铸铝转子,电机总损耗将可显著下降。

 

这些年,国际铜业协会在美国能源部的支持下,进行了压力铸铜工艺的研究,现今已解决高温模具的材料以及相关的压铸工艺问题,从而使得有可能较经济地批量生产铸铜转子电机。

 

2003年6月,德国SEW Eurodrive公司已运用此项压铸技术成功地推出了采用铸铜转子的齿轮电动机系列。意大利科技教育部组织相关机构开展了铸铜转子和铸铝转子的性能数据对比试验项目。该项目由意大利LAFERT电机公司、Thyssen Krupp钢铁公司和法国FAVI铸铜公司合作进行。试验在不改变定、转子槽形,仅改变磁性材料和长度的情况下进行,所得的数据表明,采用铸铜转子,可使电动机的能耗在原有基础上降低15%~25%,电机效率可提高2%~5%。但由于转子电阻降低会引起启动转矩下降,因此在设计时应进行其他参数的调整,以使之在提高效率的同时,满足其他主要性能指标。

 

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