温升对效率影响的研究.docx

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温升对效率影响的研究

温升对电机效率影响的研究

二Ο一六年十二月

目录

温升对电机效率影响的研究1

1温升对效率影响的研究1

2、通风对机械损耗和散热的影响2

3、异步电动机损耗分布4

4、温升对电机效率影响的验证6

1温升对效率影响的研究

国际电工委员会（IEC）于2008年正式发布了“单速，三相笼型感应电动机的能效分级（IE代码）”标准，在标准中规定：

对IE1及以下能效指标的电动机可以采用中和低不确定度的测试方法来测试杂散损耗，对于IE2及以上效率指标的电动机，只能采用低不确定度的测试方法，即美国的IEEE112B法。

实测电机定子铜耗。

在以前的电动机试验方法（E法）中，定子铜耗推算到95摄氏度进行考核，现在使用的美国IEEE112B法中，定子铜耗按电机实际温升加25摄氏度来考核。

原来的定子电阻推算到95度，在温升不超过标准限定值时，电机的实际温升没有被考虑，即电机风扇产生的风量和风压没有被考虑，只考虑了风扇所引起的机械损耗，使用这种测试方法，电机风扇的大小与定转子铜耗之间没有直接联系。

而在IEEE112B法中，电机的实际温升对效率的影响被充分考虑，所以电机风扇的性能必须被重视。

在我国低压电机产品Y2、Y3、YX3系列都是以输入功率的0.5%估算杂散损耗，用95摄氏度时的定子铜耗计算电机效率。

在新的试验方法下，这些产品很难满足电机能效标准，必须对电机进行重新设计。

2、通风对机械损耗和散热的影响

用B法进行电机试验时，在同样的负载情况下风扇的通风损耗为：

（3-5）

式中：

—风扇通风损耗；

—为风扇全压；

—为风量；

—为风扇效率。

假定选用同一样式的风扇，即风扇的形状变化不大、风扇风叶数量不变，风叶轴面流速不变，并不考虑风罩影响的情况下，可以得到：

（3-6）

（3-7）

式中：

—经验系数；

—空气密度；

—为风扇外径；

—风扇转速；

—为风扇宽。

所以在假定风扇的效率相同时，可以推出如下近似关系：

（3-8）

式中：

—为风扇的风叶面积

在不考虑空气重度和重力加速度随纬度和海拔高度变化的影响时，可得到风速与风扇全压的关系为：

（3-9）

式中：

—风速。

物体表面散热系数：

（3-10）

式中：

—流体导热系数；

—努赛尔特准则；

—端部结构的特征尺寸。

平均努赛尔特准则：

（3-11）

式中：

—雷诺数，

（

为流体的粘度系数）；

—普朗特数（气体的普朗特数一般在0．6到0．7之间）。

通过以上分析可以看出，当电机通风结构不变的情况下，风速越高，则电机表面散热系数越大，电机的散热效果越好。

3、异步电动机损耗分布

要减小电机损耗，提高电机效率，就必须分析电机的损耗分布，找出影响电机效率的主要因素。

小电机的铜耗和铁耗所占比例很大，一般可达到总损耗的70%左右，且铜耗大于铁耗；大中型异步电机的铁耗和机械耗所占比例增大，且大电机一般铁耗所占比例最大。

电机空载时：

（3-12）

（3-13）

式中：

—电机端电压；

—相电动势；

—电源频率；

—每相串联匝数；

—每极磁通；

—电机绕组系数。

可以得到：

当电机端电压相同、频率相同、电机绕组系数相同时，电机每相串联匝数与每极磁通成反比。

电机气隙磁密控制在合理范围内时，小电机磁通相对较少，所以匝数较多。

再加上绕组线径受到电机定子槽面积限制，导致小电机的相电阻较大，铜耗所占比例也相应较大。

为得到各电机的损耗分布，选用了不同机座号的6台样机做验证性试验，试验结果数据如表3-10所示。

表3-10各型号电动机损耗试验数据

效率/%

铜耗/W

铝耗/W

铁耗/W

机械损耗/W

杂散损耗/W

83.00

56.7

34.0

33.51

5.0

19.9

87.14

168.6

107.1

122.3

16.9

17.2

91.37

470.7

326.7

434.9

101.8

82.1

93.37

647.1

474.5

665.8

176.1

160.6

94.38

983.7

700.6

1013.8

363.1

291.8

95.57

1853.2

1224.2

2703.4

797.4

837.1

通过试验结果可以看出：

不同功率电机的损耗主要为铜耗和铁耗，且各损耗随着电机功率的增大而增大。

为得到电机损耗分布情况，将铜耗和铁耗随机座号变化的曲线绘制成曲线，如图3-14所示。

图3-14各型号电机定转子铜耗和铁耗所占百分比

从图3-14中可以看到：

小电机的定转子铜耗所占比例较高，在机座号250以下，铜耗可占总损耗的一半以上，机座号100及以下机座号的铜耗可以达到总损耗的60%以上，超过铁耗的两倍。

4、温升对电机效率影响的验证

由于小电机铜耗所占比例大，在IEEE112B法中铜耗与电机温升紧密相关，所以研究小电机的温升情况，对提高电机效率、有效节约能源具有重要意义。

电机的铁耗为不变损耗，它的大小与磁场频率、强度和硅钢片特性有关。

电机铜耗为可变损耗，与电机的通风结构紧密相关。

在原有风扇基础上：

1）当减小电机风扇叶片面积时，电机的机械损耗减小，但是电机的温升必然增大，则定子绕组的电阻必然增大，电机铜耗上升，温升继续增大，定子电阻继续增大，铜耗继续上升，直至发热和散热达到新的平衡。

2）当增大电机风扇叶片面积时，电机的机械损耗增大，但是电机的温升必然减小，则定子绕组的电阻必然减小，电机铜耗下降，温升继续降低，定子电阻继续减小，铜耗继续下降，直至发热和散热达到新的平衡。

通过上面两点比较可以看出，增大或减小风扇将直接影响电机的铜耗和机械损耗，且这两种损耗的变化趋势相反。

根据原来的测试方法（E法），对于温升不高的电动机，可以通过减小风扇，降低机械损耗，减小温升裕度，来提高电动机的效率。

采用IEEE112B法，电动机设计时就须考虑到电动机的温升对效率的影响，电机温升与风量的合理匹配，不能单纯采用降低机械损耗的方法来提高电动机的效率。

电动机材料用量、温升与机械损耗的合理匹配的研究，对提高高效、超高效电动机的效率是十分关键的。

为了验证温升对电机效率的影响，针对电机温升情况作了一系列的试验。

由于试验中仅对电机风扇进行了改动，杂散损耗变化很小，所以在以下的实验数据中，仅列出了电机定转子铜耗和机械损耗的变化情况。

试验结果对比如表3-11所示：

表3-11有无风扇对比

风扇

定子铜耗/W

转子铝耗/W

机铁耗/W

温升/K

有

56.7

39.0

33.51

37.7

无

63.9

44.72

31.5

54.2

有

70.22

69.96

55.96

37.9

无

80.43

73.6

53.33

56.5

有

74.8

47.52

59.0

34.4

无

76.8

48.77

58.75

39.5

有

94.37

61.17

40.08

44.3

无

101.22

67.64

40.55

61.9

通过试验数据可以看出，在小规格电机无风扇的情况下，机械损耗有所下降；电机表面风量减小导致了温升提高，电机的定转子铜耗相应增加。

此时电机的温升最高为61.9K，低于温升限值80K。

铜耗和机械耗总量增加值分别为：

10.91W、11.22W、3.00W和13.79W。

小电机减小风扇后总损耗为增加趋势，电机效率下降。

在稍大的机座号试验中，电机的温升有所提高，考虑在试验中通过减小风扇来小幅度提高电机温升做对比试验。

试验中将风扇外径由180mm减小到160mm；由于180-2、4极电机的风扇叶片数都为7片，4极风扇的外径为220,2极的为180，试验中180-4电机使用180-2的风扇做对比试验，结果对比如表3-12所示：

表3-12减小风扇对比

风扇

定子

铜耗/W

转子

铝耗/W

机铁耗/W

温升/K

YE2-160-4风扇

375.1

224.3

69.0

51.0

YE2-160-4加工风扇

377.8

225.0

44.0

52.8

YE2-180M-4风扇

494.1

315.4

92.30

49.4

YE2-180-2风扇

501.0

349.0

50.87

54.2

从表3-12的试验数据中可以看出，减小了风扇外径，提高了电机温升，电机的机械损耗下降而定转子铜耗增加，换风扇后的损耗增加量为21.6W和0.93W。

通过上述试验结果可以得知在现有设计的小电机中不能通过减小风扇降低机械损耗提高电机效率。

为验证增大风扇对电机效率的影响，需要增大电机的风扇的对比试验。

为电机使用风扇情况和各种风扇电机的试验结果数据：

表3-13系列风扇对比试验数据

风扇

定子

铜耗/W

转子

铝耗/W

机械

损耗/W

温升/K

YE2-100风扇

200.4

127.6

25.7

65.2

Y2-100风扇

193.8

126.4

30.33

57.2

YX3-112-6风扇

200.21

87.72

15.76

57.6

Y3-112-2风扇

192.38

85.26

17.66

46.1

Y3-112-6风扇

185.38

82.7

18.94

39.2

YX3-132-4风扇

356.36

222.77

30.31

72

Y3-132-4风扇

332.13

214.98

63.97

58.1

YE2-160-2风扇

406.9

299.6

312.42

66.6

YE2-160-6风扇

398.9

292.3

322.69

61.6

Y2-160-2风扇

395.3

290.1

336.83

59.7

在表3-13的试验数据中，YX3-112M-6，2.2kW和YE2-160M2-2，15kW两台电机的2极风扇叶片数均为5片，6极风扇叶片数均为7片。

在相同风扇系列，即叶片面积和形状相同的情况下，叶片数量越少，风扇旋转时叶片表面的脱流现象越严重，机械损耗越小，风扇效率越低，这样到达电机机壳表面风量与风速越小，散热效果越差。

从试验结果可以看出，YX3-112M-6电机Y3的6极风扇比Y3的2极风扇机械损耗大1.28W，定转子铜耗小了9.56W，总损耗减小了8.28W；YE2-160M2-2电机YE2的4极风扇比YE2的2极风扇机械损耗大10.27W，定转子铜耗小了15.3W，总损耗减小了5.03W，这验证了在用IEEE112B法进行试验时，小电机可以通过提高现有系列电机的风扇叶片数和叶片面积，增大机壳表面的风量和风速，提高电机的效率；稍大机座号电机必须充分考虑机械损耗对电机损耗的影响。

在试验样机中，Y3与YX3系列相同规格电机风扇的叶片数相同。

由表4中换用Y3系列相同极数风扇的试验数据，可以看出电机温升都有不同程度的较低。

这是由于Y3系列风扇的叶片面积较大，导致Y3风扇的风量和风压要大于YX3系列风扇，电机的散热条件得到改善，电机温升下降，同时伴随着定转子铜耗的降低，机械损耗增加。

电机总损耗减小值依次为：

3.17、16.67、-1.64、-3.31，可见在较小的电机中损耗降低的比较明显。

这说明在新的试验方法下，较小电机通过适当增大风扇叶片面积来增大电机表面的风量和风压，电机效率提高明显。

又由于Y3风扇本身的效率较YX3风扇低，所以如果适当增加风扇效率较高的风扇—YX3风扇的叶片面积，电机的散热效果会更好，效率会较安装Y