采用铸铜鼠笼提高感应电动机的效率

采用铸铜鼠笼提高感应电动机的效率 采用铸铜鼠笼提高感应电动机的效率 2009.?4国外大电机27 导言 采用铸铜鼠笼提高感应电动机的效率 (美)J.L.KirtleyJr.等 [摘要]效率是几乎所有电气设备的一个重要属性.现在,随着在许多公开场合强调可持续发展言论的增 加,进一步提高工业电动机效率的压力增加了.从几百瓦至几百千瓦的大部分电动机都是采用铸铝导体作为 材料的鼠笼 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 .在大型电动机和一些特种应用的电动机上,转子鼠笼是用铜条和端环焊接的.用高导电率 的铜更换铝导体会提高效率.用铸铜更换铜条焊接鼠笼将提高机器的耐用性并且留出设计自由度以调整机器 性能使其适合应用. 本文是关于铸铜鼠笼转子电动机工业应用成果的报告.我们的目标一直是利用铜的高导电率使电动机获 得更高效率,但还不止如此.在鼠笼上采用铸铜还有其他实质性优势.除了使电动机的效率提高,还减小了 转子损耗,也导致转子温度降低,使电动机更耐用.而减少冷却的投入进一步提高了电动机效率. 采用铜转子电动机以批量生产高效率工业和通用整马力电动机的许多障碍已得到解决.在一些国家,对 提高设备效率的关注得到鼓励,而在其他国家则较少.对许多电动机制造商而言,采用更贵重的材料不是一 种直观的方式,特别当低成本是一个特定客户群的首要关注时.尚待说明以及更全面地评价的是铜鼠笼转子 其实可以同时减少电动机的重量和成本.改变转子导体材料也对电动机的整体设 计有影响.设计成本和新冲 模以及压铸模,熔炼设备等的投资要求共同导致了此项技术应用缓慢.最后,存在通过高压压铸制造铜鼠笼 转子的实际问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 .与铝相比,铜的熔点高,这导致模具失效快,并导致模具的维修和更换成本更高.CDA(铜 开发协会)发起一项研究,以解决模具寿命短的问题.这项研究导致了在高温下操作的镍基合金压铸模系统 的发展,被证明大大提高了模具的寿命.这种制造系统及其变种已经被几家主要电动机制造商采用,铜鼠笼 转子高效电动机现在很容易在许多市场销售. SEWEurodnve(德国sEw传动没备公司)是第一个推出了驱动电机符合Effl和EPAct(EnergyPolicyAct, 能源政策法案)效率标准的一条生产线的主要制造商,生产线的一部分采用了铸铜鼠笼转子以避免机座尺寸 增加.西门子公司最近宣布,通过有效成本设计获得良好效率的一条依靠铜鼠笼转子的超级NEMA(美国国 家电气制造商协会)高级电动机生产线现已在北美地区投运. 感应电动机的设计'受预期应用的影响.目前存在具体规定某些标准种类的电动机应当遵守的标准,使电 动机制造商和供应商知道应期待什么.例如NEMA标准电动机发电机第一部分规定了除电动机的底座,轴高 度和直径此外电动机的重要性能,如堵转电流,最小起动转矩和失步转矩,起动电流等.简单地用铜更换一 台电动机转子中的铝就会导致这台电动机不符合相关标准.例如,增加转子导电性减小运行滑差和转子损耗, 也减小了起动转矩(低转速),并增加起动时的电流.基于这个原因,在研究转子导条形状影响电动机眭能上 已经投入大量的努力.而铸铜转子提供了转子导条形状的灵活性,允许调整电动机特性以符合标准和应用要 求. [关键词]感应电动机;电效率;铸铜;鼠笼;电机设计;铸造技术 随着在许多公开场合强调可持续发展言论的增 加,进一步提高工业电动机效率产生了更高的压力增 加了.从几百瓦至几百千瓦的大部分电动机都是采用 铸铝导体作为鼠笼材料的鼠笼设计.在大型电动机和 一 些特种应用的电动机上,转子鼠笼是用铜条和端环 焊接的.用高导电率的铜更换铝导体会提高效率.用 压铸铜更换铜条焊接鼠笼将提高机器的耐用性并且留 出设计自由度以调整机器性能使其适合应用uj. 简单地用铜替换一台电机转子的铝材通常会导致 这台电机不符合相关标准.例如,增加转子导电性, 减小运行滑差和转子损耗,也减小了起动转矩(低转 速),并增加起动时的电流.基于这个原因,在研究转 子导条形状影响电动机性能上已经投入大量的努力. 许多这种努力已经集中在开发高导电率转子材料上, 以期得到所需的电动机性能.而铸铜转子提供了转子 导条形状的灵活性,允许调整电动机特性以符合标准 采用铸铜鼠笼提高感应电动机的效率20o9.?4 和应用的要求. 效率提高 研究一台高效,10hp(7.5kW)工业级电动机的 损耗.电动机定子内径为145mm,气隙为O.85mm, 有效长度152mm.定子电枢绕组为36槽144匝,节 距为8/9.槽满率假定为41%.电动机外壳直径大约为 241mm,长度267mm.假定鼠笼材料为铝,运行在40 ?温升下(运行温度65c(=),使用Matlab电机模拟程 序计算的电动机各项损耗见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1. 表1铸铝鼠笼转子电动机的基本性能 铁损 定子绕组损耗 转子鼠笼损耗 杂散损耗 风摩损耗 电机效率 99W 3l3W Il0W 12W 43W 92% 一 台100%符合IACS(国际退火(软)铜标准)导电 率的铸铜鼠笼转子预计损耗为60W,这可以使电机效 率提高到?93.5%.然而,大部分工业电动机被设计成 标准的,指定了如最小起动力矩和堵转电流等性能参 数.表1引用的示例电动机在换成铜后,将获得满意 的起动力矩,但是堵转电流将超过84A,如图2所示, 而NEMA标准规定,运行在460V下的"B设计"电 动机的堵转电流不能大于81A.图1显示了铸铜鼠笼 转子电动机的起动力矩或许将令人满意,并符合 NEMA标准的力矩要求. 力矩比较 14o 120 100 目80 乏 60 4o 20 0 02004006008001000l2oo14001600l800 r/I1lin 图1力矩比较:仅替换为铜 导条形状 就常识而言,转子导电率越高,起动力矩越低. 这对于频率固定的电动机参数来说是正确的.对典型 尺寸的整马力或更大的电动机来说,涡流导致实质性 的频率依赖电动机参数.铜的高导电率给予电动机设 计者更大的灵活性以获得更多扩散效应的益处. 90 80 7O 60 5O' 4O一 3O' l 20 10 O…一………-一…一一一一-一--j一一一一一-L…一……一 O2o040060o8o01ooO12oo140016oo18oo rlmin 图2电流比较:仅替换为铜 感应电动机的鼠笼是由相同的导条在电动机两端 由端环连接在一起的一个复合体构成.导条上宽下窄 的锥形形状通常是合适的.这允许转子导条间的磁性 材料(转子齿)近乎宽度一致,使磁路工作得更好. 由于集肤效应,当电动机起动时,存在电流集中 在导条顶部的自然趋势,因为通过转子上的电频率相 对较高.当电动机运转时,滑差是低的,从转子上的 电频率也是这样.因而转子电流是相对均布的.一个 电动机设计者可以通过将转子导条分成两半来提高这 "起动"和"运转"导条,并通过一个 种效应,叫做 相对狭窄的"泄漏槽"分开.原有的铝鼠笼转子电动 机和重新设计的铜鼠笼转子电动机转子线圈的形状如 图3所示.因而产生的力矩/转速和电流/转速曲线如图 4和图5所示. 铜.. 0.04i 0.03一 0.02{0.Ol?0r,_ 图3铝和铜鼠笼转子的鼠笼线圈 一,一n??___? m?0m0O 20o9.?4国外大电机 皇 Z 力矩比较 140一,……一'—一……一一'…………………一…一……一…一'' - 201.…一…………,…..…...…一.…一…一… 020040060080010001200l400160o180o r/min 图4力矩比较:铝和铜鼠笼转子 电流比较 9oi……一一……………一一…,,………--r……一……一一T…………一一一 图5电流比较:铝和铜鼠笼转子电动机 一 些导条形状适合两种电动机设计.铝鼠笼转子 导条顶部倒角以减小堵转电流.铜鼠笼转子导条就更 复杂了,导致了包括控制起动电流和提高起动力矩的 电动机性能的改变.这种导条增大的磁漏导致失步转 矩少许减小,虽然电动机仍然符合NEMA标准的要求. 转子损耗的减小意味着从转子散发的热量较少.这允 许在自冷却电机(这几乎包括所有工业电动机)上减 小冷却风扇的尺寸.此外,转子温度的降低对效率有 益. 温度影响 转子损耗的减小意味着从转子散发的热量减少. 这允许自冷却电机(几乎包括所有工业电动机)减小 冷却风扇的尺寸.而且,转子温度的降低对效率的影 响是有益的,如图6所示. 温度对效率的影响未计算入表2中,因此表中铸 铜的优点或许有些低估. 除了效率提高,铜鼠笼转子温度降低预计导致轴 承寿命提高,并可能延长电机绝缘寿命. 表2电动机性能总表 o.94…一,…… 1 … 0h …p蹙堕皂.篓簪…………… 0.935 O.93 蝌.25' 颖0. 92 0.915' 0.91一一. ; 0.905,. 09,一…,.一一,,一一,,一.一一…一一一一一,一一一一一一一一+,一一,, 一一一,一一一一 2030405O6O7O80 温升 图6温度对效率的影响 频率响应 注意,转子槽重新设计的铜鼠笼转子电动机与铝 鼠笼转子电动机和与其相同转子槽形的铜鼠笼转子电 动机相比,具有较低的杂散损耗和较高的起动力矩. 为了试图理解这点,考虑了导条阻抗作为频率的一个 函数,如图7所示. 目 a 爱 塞一,二=::—萋 一…一 图7频率与转子线圈阻抗的关系 注意,起动时,铜鼠笼转子导条实际上表现出比 采用铸铜鼠笼提高感应电动机的效率20o9.?4 铝鼠笼转子导条更高的阻抗.这提高了起动力矩,并 趋于减小堵转电流.然而,在运行频率下,铜鼠笼转 子导条的阻抗却较低,这提高了效率.甚至在较高的 频率下,铜鼠笼转子导条具有较低的阻抗,并且由于 在高频时出现的定子空间谐波越来越像流电源,与这 些电流相关的损耗,特别是杂散损耗降低了. 铜鼠笼转子制造的挑战 对NEMA电动机等级,至少对于较小尺寸的,由 于高劳动量与该种电动机的价值相比,上述的焊接铜 鼠笼转子是不实用的.因此,选择的 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 将是压铸工 艺,与已经成熟的铸铝转子工艺类似. 对于铜的铸造工艺,存在应该被考虑的一些特殊 不同点.铝的熔点是660.C,而铜是1083.C.这样明 显的高温度水平在工具材料上施加了极端的应力,整 个工艺装备的模具材料需要比普通使用的模具具有更 好的耐高温能力. 在2O世纪9o年代末期,CDA公司开始研究这个 问题I制.压铸模具失效机理与通过压铸导致的表面破 裂模式的"热裂"相关.在高表面温度下,脱碳和奥 氏体化导致普通模具钢变软是模具失效的主要原因. 热裂是由与熔化金属接触的模具表层快速循环膨胀和 模具内部大量低温部分对表面的约束造成的一种热疲 劳现象.在每个循环的冷却阶段,外表面降到了一个 比模具大部分低的温度,这造成表面处于超出模具材 料屈服点的一种巨大拉应力状态.这种表面和内部不 同的膨胀和约束在模具铸造高熔点的金属如纯铜时急 剧恶化.对热疲劳失效机理的考虑研究显示,表面和 内部短暂的温度差异并导致巨大的应力可以通过升高 模衬大部的温度来减到最小.模型研究表明550.C的 模具温度对低于塑性范围的钨基或钼基模具材料来说 将使热应力最小化.对于镍基合金模具材料,模具操 作温度将达到大约625.C.对压铸来说这是一种不寻 常的操作 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,但是缺乏一个加热和绝缘模衬以保持 高温临界状态来提高模具寿命的实用系统,这样的系 统在这项工作中正在开发.在试验中采用的模衬和电 阻加热器结构示意图如图8所示. 在确定普通的H.13模具钢仅仅使用20次之后就 出现热裂纹之后,评估了钼基,钨基和镍基合金.钨 基合金,Anviloy完成得很好,在高温操作需要最小化 热裂纹的形成时,超过1000次循环而没有出现热裂纹. 然而,高合金材料和加工费用限制了它的使用.TZM (加入0.05%钛和0.08%锆改良的)钼基合金也表现出 能避免表面裂纹产生,但是在550.C的操作温度下, 不能完全防止氧化.在几种镍基合金试验中,简单的 固溶加强型包括INCONEL617合金在高温下操作证 明大大延长了模具寿命.Haynes230合金是相同的类 型,已经在电动机制造商的铸铜车间使用了. 图8在压铸铜鼠笼转子中采用的电加热器和绝缘布置示意图 另外,与铝相比,铜的高熔点造成固化快及材料 和模具之间的温差更高.这意味着实际用于压铸过程 的时间非常有限.基于这个原因,需要更有效的压铸 机.由于铜的高密度以及趋向于快速冷却和固化,用 于铝的完成浇铸的注入压力其实也适用于铜.采用电 加热模具优于油加热,并被证明有助于减轻这些问题. 使用加热的压铸储筒也能使熔化的铜从熔炉或保温炉 流出时的急剧冷却减到最小. 必需的压铸设备包括合适尺寸的电机,加热的镍 基合金模具和铜熔化装置,这表明了相当可观的投资 总额,但这些努力的回报是高效电动机品质卓越的铜 鼠笼转子,优于NEMA高级标准.CDA支持新压铸 技术向全世界的电动机制造商转让并应用. 结构的经济性比较 用于电动机结构材料的成本依赖于商品材料价格 随时间的波动.目前,铜比铝贵得多,这点短期内不 能期望显着地改变.此外,与铝比较熔化铜需要更多 的能量,模具寿命可能缩短,这两个因素预计在尺寸 相同的情况下使铜鼠笼转子的成本增加不到1美元. 但是在一台铜鼠笼转子电动机中,更高级的转子导体 材料占整个电动机成本不到5%,仅仅比铝转子电动机 多l%.影响转子材料选择的重要因素取决于其他成本 构成.设计两台相同效率的转子,采用铜时,由于转 子铁心缩短,减少了硅钢片的成本.由于转子本身缩 小了,也减少了转轴,机壳和装配的成本.因此在相 同效率下,制造铜鼠笼转子电动机似乎比铝鼠笼转子 2Oo9.?4国外大电机31 电动机便宜.然而,在此我们的目的是提高效率.对 外形尺寸相近的电动机,铜鼠笼转子电动机效率高但 是成本也高.我们对一台采用铜鼠笼转子的10hp (7.5kW)NEMA高级电动机(满载效率91.7%)和一 台等同的EPAct标准电动机(满载效率89.5%)制造 成本差异的估计约是60美元. 运行的经济性比较 比较一下7.5kWEPAct电动机和一台NEMA高级 电机动在假定75%负载下运行的效率(满载效率分别 为90.8%和92.6%),结果是lh0.12kW,或者年运行 6000h,每年719kWh.当电价为每度0.075美元时, 每年节约54美元,这表示l3个月就能收回采购NEMA 高级电动机多花的60美元成本.这个数字不一定准确, 因为制造成本会随着商品材料的价格变化,而节约下 来的成本也随着电价和运行时问变化. 继续发展 铸铜鼠笼转子中,杂散损耗虽然仍旧较低,但似 乎比估计的要高.这似乎与转子导体和转子铁心之间 的电接触有关.由于在铸造时铜趋向于浸润钢表面, 这种接触非常好,提供了一条趋于使典型应用于鼠笼 中减小谐波电流的斜槽"短路"的电通道.努力去理 解这种效应,可以量化和设计测量仪器【5】.减小转子斜 槽将趋于减小转子接触的影响,而转子涂层(冲制后) 可以破坏电接触. 结束语 在未来,电力成本重新下降是不太可能的.所有 迹象指向持续缺乏电力,因而花费主要能源用于生产 电力,所以用电时效率是重要的.在未来,电动机效 率的价值似乎在持续上升. 本文注重于工业直接起动电动机,它是所有电的 使用中值得注意的部分.铜的采用导致效率提高l%, 2%,在究竟有多少电力由工业电动机使用的数据反映 出来前,这个数字听起来比较小.可调速驱动的电动 机将与直接起动电动机一样受益. 随着提高感应电动机效率的努力而来的是电动机 尺寸的加大,这种尺寸加大包括直径,长度或两者都 有.伴随而来的是高导电率的转子材料,保持效率不 变使电动机尺寸缩小.这意味着当尺寸和重量重要时, 铸铜鼠笼转子可以允许电动机尺寸的减小,例如牵引 电动机.由于感应电动机在不输出力矩时可以断电, 故对某些牵引应用来说,具有比永磁电机实际的优势 (例如混合动力汽车).铸铜鼠笼转子的应用使感应电 动机在这样的应用场合更加有吸引力【6J. 2006年2月,西门子AG在北美市场引入了一条 "超级"电动机生产线,目标在于刚刚超过NEMA高 级电动机铭牌的效率.这些电动机采用铸铜鼠笼转子 以提高效率.这个生产线生产的一台10hp,三相, 460V,60Hz,1800r/min的普通用途TEFC电动机将在 一 个独立实验室进行测试.这台电动机的铭牌效率是 92.4%,最低保证91.7%(对于这种尺寸和型号的电动 机来说与NEMA高级电动机效率相同)o通过试验测 定的这台电机动的效率是92.7%,在50%,75%额定功 率之问同样是特别平滑.可以期待这条电动机生产线 将具有竞争力是合情合理的. [参考文献] 【l】J.L_KirtleyJr.,J.GCowie,E.EBrush,Jr.,D. 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