高效同步電機(jī)與高效異步電機(jī),兩種設(shè)計(jì)方案的對(duì)比分析
國際上,美國、加拿大和歐洲等地相繼頒布了有關(guān)法規(guī)強(qiáng)制推行高效電機(jī)。我國中小型電機(jī)行業(yè)的“十五”規(guī)劃將開發(fā)高效電動(dòng)機(jī)提上了議程,并對(duì)開發(fā)高效電機(jī)借鑒歐洲標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成了共識(shí)。這是因?yàn)椋?br />
(1)目前我國的電工標(biāo)準(zhǔn)體系基本是等同采用IEC的標(biāo)準(zhǔn)。
(2)我國Y系列和Y2系列電動(dòng)機(jī)均與德國標(biāo)準(zhǔn)DIN42673相對(duì)應(yīng),且電壓和頻率也與歐洲的一致。
(3)我國Y2系列電機(jī)與eff2系列電動(dòng)機(jī)的效率基本相當(dāng),Y2E系列略低于eff1系列(2極電動(dòng)機(jī)平均低0.94%,4極電動(dòng)機(jī)平均低1.65%)。故只要適當(dāng)調(diào)整設(shè)計(jì),均可以達(dá)到歐洲eff2和eff1的水平。
實(shí)現(xiàn)高效的途徑
交流電動(dòng)機(jī)按電機(jī)工作原理,可分為異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。通常,一般用途的驅(qū)動(dòng)電機(jī)都是異步電動(dòng)機(jī),目前是Y系列和Y2系列電機(jī)。雖然傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)具有高效率和高功率因數(shù)的優(yōu)點(diǎn),但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、起動(dòng)困難、制造成本高和維護(hù)麻煩,一般電力拖動(dòng)系統(tǒng)很少使用同步電動(dòng)機(jī)。而永磁同步電動(dòng)機(jī)隨著永磁材料的發(fā)展及設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷成熟,不但解決了電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn),自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)還解決了電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)無法自起動(dòng)的不足,使其可以像異步電動(dòng)機(jī)一樣方便使用。永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)合了異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)效率高的優(yōu)點(diǎn)。因此高效電機(jī)既可以設(shè)計(jì)成高效異步電動(dòng)機(jī),亦可考慮設(shè)計(jì)成高效永磁同步電動(dòng)機(jī)。
若以Y2系列異步電動(dòng)機(jī)為藍(lán)本,設(shè)計(jì)開發(fā)高效異步電動(dòng)機(jī),則主要措施有:降低電磁負(fù)荷(鐵心加長,降低磁負(fù)荷以減少鐵耗;適當(dāng)加大槽形,加粗導(dǎo)體以降低銅耗)、合理選擇槽配合、提高制造水平、改進(jìn)風(fēng)扇設(shè)計(jì)和選用高性能的材料等。而同樣以Y2系列電機(jī)作藍(lán)本,設(shè)計(jì)開發(fā)高效永磁同步電動(dòng)機(jī),則主要工作有:選擇恰當(dāng)?shù)拇怕方Y(jié)構(gòu),確定永磁體的類型和具體牌號(hào),設(shè)計(jì)定、轉(zhuǎn)子沖片等。
方案對(duì)比和分析
1、電機(jī)的效率指標(biāo)
我國于2012年5月11日頒布了國標(biāo)GB18613-2012《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》,并于2012年9月1日正式實(shí)施。GB18613-2012將能效等級(jí)分為1、2和3級(jí),1級(jí)等同于IE1(超超高效,IEC60034-31);2級(jí)等同于IE2(超高效,IEC60034-30);3級(jí)等同于IE3(高效,IEC60034-30)。表1列出GB18613-20122級(jí)能效規(guī)定值和1.1~90kW的4P電機(jī)的Y2、Y2-E和永磁電機(jī)間的效率指標(biāo)對(duì)比。
2、高效異步電機(jī)
Y2系列異步電動(dòng)機(jī)是目前廣泛使用的普通用途的電機(jī)。在聯(lián)合開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)其進(jìn)行了提高效率等一系列的設(shè)改進(jìn),即產(chǎn)生了上文中提到的Y2-E系列。Y2-E系列設(shè)計(jì)從H80-280共進(jìn)行了53個(gè)規(guī)格的設(shè)計(jì),有效材料的耗材情況對(duì)比見表2。
表2中,成本價(jià)格按電磁線25元/kg,硅鋼片5.5元/kg,鋁20元/kg計(jì)。這53個(gè)規(guī)格中,Y2基本系列設(shè)計(jì)的效率算術(shù)平均值為86.77%,Y2-E設(shè)計(jì)的效率算術(shù)平均值為87.83%,效率提升了1.06%。但有效材料多用了13.6%,由此推測,當(dāng)效率設(shè)計(jì)值從表1的87.52%提高到90.73%時(shí),有效材料大約應(yīng)比Y2基本系列多用41.2%。如果設(shè)計(jì)時(shí)效率再留0.5%的余量,則有效材料約比Y2基本系列多用47.6%。高效異步電機(jī)三大有效材料的推測用量亦列于表2中。
按目前每年生產(chǎn)中小型異步電動(dòng)機(jī)4000萬千瓦計(jì),如果其中的1/4使用高效異步電動(dòng)機(jī),節(jié)能雖然有效果,但電動(dòng)機(jī)制造廠為此要多付約3.007億元/年的材料費(fèi)用,其中,電磁線4535t,硅鋼片29220t,鋁830t。除此之外,電機(jī)生產(chǎn)的輔助材料,如絕緣漆和槽絕緣紙等也要相應(yīng)多消耗。在模具方面,每個(gè)規(guī)格高效電機(jī)基本都需要增加定、轉(zhuǎn)子沖片模具、繞線模、鑄鋁中模、鑄鋁端模和定子疊壓漲胎等。對(duì)于功率較小的電機(jī),由于效率增加較多,鐵心長度加長較多,會(huì)出現(xiàn)Y2機(jī)座無法容納鐵心的情況,還必須重新制作機(jī)座模具,所增加的費(fèi)用就更多了。另外,由于定、轉(zhuǎn)子與Y2系列不一樣,同時(shí)又增加了企業(yè)的生產(chǎn)管理成本。
3、高效永磁同步電機(jī)
永磁同步電動(dòng)機(jī)由于沒有了轉(zhuǎn)差功率損耗,效率可以設(shè)計(jì)得很高,同時(shí)功率因數(shù)亦相當(dāng)高。為便于分析比較,本文設(shè)計(jì)了4P、1.5~90kW的永磁同步電動(dòng)機(jī),全部借用Y2系列相應(yīng)規(guī)格的定子沖片,鐵心長度也不做變化,只對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。這樣涉及改動(dòng)的模具只有轉(zhuǎn)子沖模和鑄鋁端模。電磁線、硅鋼片和電機(jī)制造的輔助材料的用量與Y2的相同,用鋁量有所下降,當(dāng)然比Y2系列多用了永久磁鋼。其設(shè)計(jì)的效率值和耗材量亦分別列在表1和表2中。
4、兩種方案對(duì)比
由表1可知,PMSM的效率設(shè)計(jì)值高出eff1效率平均值0.75%,而成本卻比異步高效方案節(jié)約9.38元/kW(永久磁鋼按170元/kg計(jì))。以年產(chǎn)1000萬千瓦高效電機(jī)來測算,采用永磁同步電機(jī)方案每年可節(jié)省制造成本9380萬元。此外,還可節(jié)省電磁線4535t,硅鋼片29220t以及其它原輔材料。雖然,比異步高效方案多消耗永久磁鋼(稀土永磁材料)1427t,但我國的稀土資源豐富,稀土礦的儲(chǔ)存量為世界其它各國總和的4倍左右,號(hào)稱“稀土王國”,因此可利用此得天獨(dú)厚的條件,大力發(fā)展我國的永磁同步高效電機(jī)。
5、樣機(jī)對(duì)比
Y2-200L-4鐵心長195mm,Y2-200L-4E鐵心長230mm,后者約多用有效材料17.95%。聯(lián)合設(shè)計(jì)時(shí)試制的兩臺(tái)樣機(jī)效率分別為92.7%和92.9%,均低于eff1的93.2%的標(biāo)準(zhǔn)。
若要使電機(jī)符合eff1標(biāo)準(zhǔn),還需要重新設(shè)計(jì)。如要確保生產(chǎn)的電機(jī)符合標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留一定的余量。按試制的兩臺(tái)樣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn),再提高1%,即效率分別為93.7%和93.9%,則有效材料將再增加10%左右,即符合eff1標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)有效材料將比Y2-200L-4多用29.7%。Y2-200L-4有效材料約1800元,則設(shè)計(jì)生產(chǎn)出合格的高效異步電機(jī)將多用534.6元。
而所設(shè)計(jì)和試制的永磁同步電機(jī)PMSM200L-4,鐵心長度與Y2-200L-4相同,只對(duì)轉(zhuǎn)子部分重新設(shè)計(jì),耗用的永久磁鋼3.43kg,按170元/kg計(jì),成本比Y2-200L-4多用583.1元。試制的兩臺(tái)樣機(jī)效率分別是95.3%和93.8%(其中一臺(tái)樣機(jī)鐵心疊壓質(zhì)量不太理想),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過eff1標(biāo)準(zhǔn)。
通過對(duì)高效電機(jī)兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析,得出如下結(jié)論:
(1)盡管異步電機(jī)通過改進(jìn)設(shè)計(jì)也可以實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能,但和采用永磁同步電機(jī)的方案相比,會(huì)耗用更多的材料,而且動(dòng)用的模具多,會(huì)增加生產(chǎn)管理成本。
(2)異步電機(jī)即使耗材較多,但也很難實(shí)現(xiàn)高效。主要原因?yàn)楣β试叫〉碾姍C(jī),轉(zhuǎn)差損耗所占的比例越大。永磁同步電機(jī),特別是功率較小的電機(jī),耗材少,制造成本低,易達(dá)到高效的目的。
(3)根據(jù)表1可知,永磁同步電機(jī)的效率高于eff1的標(biāo)準(zhǔn)。此外,永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)也比異步電機(jī)高很多,可改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。
(4)雖然要耗用一定的稀土材料,但采用永磁同步電機(jī)方案可節(jié)約鋼材和銅材。
隨著對(duì)永磁同步電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)的持續(xù)研究,設(shè)計(jì)方法與制造工藝的不斷改進(jìn),控制技術(shù)的快速發(fā)展和日漸成熟,永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢(shì)將更加凸顯。
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