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投稿邮箱：tougao@maicai360.cn 摘要 本文提出使用压铸铜笼转子和优质电工钢的一个研究项目，其目的是提高三相异步电动机的效率。本研究关注工业低电压三相异步电动机，4极，50Hz，400V，全封闭风冷，功率0.75~22kW范围。其结果是有关此项目的第一步，优质钢和铜笼转子用来代替标准钢和铝笼。 关键词：异步电机；压铸；铜笼转子；电工钢 1．– 引言 自1999年以来，低压交流电动机的能源效率欧洲计划一直作为欧洲委员会和CEMEP，欧洲电机和电力电子技术[1]制造商委员会之间的自愿协议运作，这个方案将感应电动机分成三个效率等级，从Eff3（最低）到Eff1（最高）。它使所有OEMs (原始设备制造商)和其他客户和用户的感应电动机有一个简单的效率提升。该协议鼓励制造商精确设计电机，采用新材料（如优质钢）和创新技术（如压铸铜转子）生产高效率电机。 2．– 新材料和创新的技术 磁性材料在电机性能的改进有重要的作用[2]。就这一目标，其主要特点是磁导率和比损耗。此外，选择一个“合适”的电工钢取决于成本、可加工性、退火（如果需要）、“企业传统”和仓储等几个方面的要求。开发新型的高效电机，磁性材料的选择是当今一个“开放”的问题。 另一方面，众所周知，转子采用铜导条和端环代替铝材会改善电动机能效[ 3]、[ 4]。 压铸是公认的低成本制造笼形转子的方法。因此，压铸成为铸铝转子制造方法的的选择，但最大机座的电机除外。高压压铸铝鼠笼转子是一个成熟的工艺为大多数电机制造厂采用。铝合金的熔点在670℃范围内，其用于转子的压铸模具材料对温度的要求并不高，模具的寿命取决于模具的复杂性，可以使用成百上千次。 最常用的方法生产铜排转子被称为“焊接组装施工”。这种制造涉及密集的手工劳动，因此是昂贵的[5]、[6]。截至今天，只有少数大型电机利用此方法制造铜排转子。 从压铸铝到压铸铜笼转子制造工艺并不存在显着差异，本质上是相同。制造的挑战在于压铸铜所需的温度较高：其熔点为1083℃。虽然压铸铜转子结构是一个较新的技术，目前最先进的技术可以使同样大小的转子压铸铜可以铸造铝。铜压铸的完整性和可靠性与铝压铸一样好。主要的原因铜压铸转子还并不普遍，因为它需要专用设备（投资）和在这一领域的专业知识。 3．– 高效电机研究 作者深入研究了铜笼转子与高品质电工钢的组合使用。 研究项目由意大利教育部、大学和研究机构支持。 连同拉奎拉大学，有三个重要的公司参与此项目： – 意大利蒂森克虏伯钢厂，欧洲生产电工钢用于电机应用方面处于领先地位。钢厂提供了几个新的在用电工钢样品； – 意大利纳菲特公司，一个最重要的感应电动机制造商。纳菲特提供了定子和转子铁芯以及定子绕组和安装了铜笼转子的原型机； – 法国FAVI（Fonderie et Atelier du Vlmeu）公司，专门从事铜合金压铸。FAVI合作经营制造高温模具和几个铜笼转子。 该项目的目的是为了通过上述创新的技术解决方案，分析几个异步电动机的原型机：以： – 确定的设计程序和设计策略； – 要验证实际效率的提高； – 确认安排的电机方面的欧洲分类方案（欧共体/ CEMEP）。分析有关工业低压三相异步电动机，4极，50Hz，400V，全封闭风扇冷却，在0.75~22kW功率范围。 该研究项目分四个步骤，据以用来研究和提出更高效率电机的设计策略。 最经济的策略是使用现有的设计和模具生产更高效电机，涉及使用改进的磁性材料（“优质钢”）和铜笼转子：在这种情况下，定子和转子槽形尺寸和定子内外直径保持不变。 第二个策略涉及到端部的长度和定子绕组的改变。更昂贵的策略是改变冲片（定子和转子槽形尺寸），即使定子内外径保持不变，这需要重新制作冲压模具。最昂贵的设计策略需要改变电机所有的尺寸，包括定子内外径，在这种情况下，最后一个选项是修改现有的机座，使用一个较大尺寸的机座，并保持轴的中心高。本文介绍项目研究的第一步，采用“优质钢”和铜笼转子代替标准钢和铸铝转子。 4．–项目开发 在0.75-22kW功率段选择三个规格，3、7.5和15kW，4极，50Hz，400V，全封闭风冷，单笼型转子。根据欧共体/ CEMEP标准，此三个规格电机效率最低保证值列在表1。 表1 - 欧共体/ CEMEP 4极电机的最低能效标准 三个标准电机已选定为“参考电机”：他们是普通铸铝铝转子和标准电工钢电机，两个电机（3和7.5kW）属于低效率的Eff3级，第三个（15kW）是Eff2级。 4.1 –电工钢的选择 首先，选择最合适的电工钢，参考材料的性能（损耗/磁导率）和硬度（HRB）。 参考普通电机中已采用的代号为8050标准电工钢。 考虑以下电工钢替代： - 低损耗电工钢：5350和3150 ； - 高磁导率电工钢：8050H，5350H。 图1中总结了主要特性。  图1 -电工钢1.5 T的磁导率和损耗 已通过仿真评估电工钢和铜笼转子电机性能的影响。该结果已与普通电机相比，以评估因使用“优质钢”和铜笼转子实现的改善，而不影响标准电机的设计。  图2 - 8050和5350H的B - H曲线 在经过初步分析并结合材料硬度的基础上，选择了高导磁率5350H钢。5350H电工钢在比损耗和导磁率之间有很好的结合。事实上，从比损耗的角度来看，更好磁性材料（见图1 3150和5350 与8050电工钢相比) 的磁导率常常较差。因此，增加励磁电流和损失相应能量，有利于降低铁损。其实， 5350H电工钢被定义“优质钢”，就是由于结合了高磁导率和低比损耗 (3.5W/kg 而8050为5.5W/kg) (在1.2 T以下较8050电工钢较好，以上稍差，见图2）。 4.2–电机测试 按照以下的组合为每个功率规格制造原型机得出初步分析结果： a）标准8050钢和铝笼（“参考”普通电机）； b）标准8050钢和铜笼； c）优质钢5350H和铜笼。 比较电机a）和b）评估采用铜笼转子的改进效果。采用优质钢的电机c）与标准钢（比较电机b）的改进以及与标准电机（比较电机a））的改善作用。 为了准确比较电机a）和b），用大小相同的定子绕组和电工钢8050定子测试电机a）和b）。表2给出被测电机的主要尺寸和重量（参考电机和新的原型机），图3为铸铜转子外形。 表2 测试电机的主要尺寸和重量   图3 本研究制作的铜笼转子外观 5．–电机性能测试结果 5.1 - 标准测试方法 在世界范围内，测试电机的标准有几个。对于感应电动机三个最重要标准是： - IEEE标准112，目前在美国和世界一些地区使用； - JEC37，日本； - IEC34-2，在大多数欧洲国家使用。 在加拿大，在能源效率法规规定的标准是：CSA C390-98“确定三相异步电动机的节能性能的方法”。本标准等同于标准IEEE112-1996，方法B：“多相异步电动机及发电机的试验规程”。
IEEE和CSA方法是真正的输入与输出功率的效率测试，分离损耗为五大类：铁耗、定子电阻、转子电阻、风摩耗（F＆W）和杂散损耗（SLL）。前四项是直接测量，其余是“杂散负载”类。 为评估铸铜转子和优质钢对每类损耗的影响，采取损耗分离的方法。在文中提出的实验结果，请参阅标准 CSA C390-98。 5.2 - 测试结果 表3列出了3kW电机CSA测试结果。 铜铝替代直接降低75％的转子总损耗，间接参与其他25％的定子铜耗的降低。转子I2R损耗降低了46％，效率提高2.1个百分点；铁耗和风摩耗（F＆W）是常数。 优质磁性钢获得半点效率。节省的铁损部分抵消定子绕组损耗增加，因此励磁电流增加。 采用铸铜转子和优质钢的3kW电机处于Eff2级能效。表4列出了其他电机的主要性能。 铜笼电机与普通电机相比，定子绕组温升ΔTSW采用铜笼降低了4℃，采用优质钢降低了16℃。因为温升在电机的寿命中是一个非常重要的特征值。 表 3 - 3 kW电机CSA C390-98效率和损耗分离测试结果  表4 - 3 kW电机性能  ①注：TB -- 最大转矩 TL -- 堵转转矩 铜笼电机转差(率)明显较低，其功率因数基本不变。事实上，由于这两种材料之间在电导率上的差异，在相同的转差率下，铜笼电机产生比铝笼电机更高转矩；负载时，铜笼电机转差率不会增大太多。这对于在变频驱动器上的反应非常好，但对风机和水泵等变转矩负载有负面影响。铜笼转子电机最大扭矩显著增大 TB (+ 8%) ，但堵转转矩大幅下降TL（-18%），是由于采用的铸铝转子设计的转子冲片。然而，进一步调整设计（重新设计定子和转子冲片，采用铜笼转子的以增加电导率）影响扭矩的这些负面因素可以纠正[3]。 测试7.5kW电机（表5和表6）确认损耗更小。铸铜转子的转子损耗降低了50%，整体损耗减少了23%和 26%（在铸铜转子和采用优质钢材）。与普通电机相比，使用铜笼，定子绕组温升ΔTSW降低了18℃，采用特优钢降低了24℃。温升较低意味着可以用较小的冷却风扇，在减少凤摩耗方面有显著的效果。 效率分别提高了3.2 和3.9个百分点，尽管如此，电机能效不在Eff1级，处于Eff2。 表5 - 7.5kW电机CSA C390-98效率和损耗分离试验结果  ①注：TB -- 最大转矩 TL -- 堵转转矩 表7 - 15kW电机CSA C390-98效率和损耗分离试验结果  表8 -15kW电机性能  表7和表8为15kW的电机测试结果。相对于标准电机和铸铜电机，铸铜转子损耗测量值平均降低44％，整体损耗降低了10％。采用优质钢和铸铜转子，铁损降低24％，整体损耗降低了20％和11％。与标准电机相比，采用铸铜转子效率提高了0.9个百分点；采用优质钢和铸铜转子，效率提高了1.8个百分点。有趣的是，15kW铸铜电动机效率容差分级为Eff1，采用特优钢和铸铜转子，15kW电机完全满足 Eff1。 5. 3 – 与文献数据的比较 表9总结了文献资料包括本研究报告中实验观察到的铸铜转子与铸铝转子电机整体效率和铸铜转子损耗减少的数据比较。范围覆盖3~18.8kW，4极电机。转子损耗减少的范围是40~50％，效率增益是1~3个百分点。 表 9-电机整体效率和采用铸铜转子的转子损失减少。数据源自本研究和文献资料。  6．–结论 本文提出了几个原型的异步电机采用压铸铜笼转子和优质电工钢的测试结果，目的在于验证电机实际效率的改进，按照欧洲能效分级计划EC/CEMEP排序。三个标准电机被评为“参考马达”，两台电机（3和7.5kW）属于低效率等级Eff3级，第三是（15 kW）Eff2级。 铜铝的替代已允许在Eff2级的3和7.5 kW电机。效率的提高并不是所有规格电机统一的，从15 kW的0.9个百分点到7.5 kW的 3.2个百分点。对于15 kW，有趣的是，在新能效分级容差总像Eff1电机。 使用5350h电工钢（优质钢）从小规格到大规格电动机，效率提高0.4、0.7和0.9百分点，然而，优质钢和铜转子并不会使3和7.5 kW电机效率进一步的提升（从Eff2），而15 kW达到Eff1（无容差）。
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