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高效节能的电机来自先进的系统设计和零件选择

学术研究2019.09.18
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电机提供了60%以上的工业用电,效率是一个关键的设计参数,电机设计的效率比以往任何时候都更为重要。效率定义为输送的机械功率与提供的电力的比率。一台效率为85%的电动机将85%的电能转化为机械能,剩下的15%作为热量消散。

 

节能电机采用优质材料和优化设计,以实现更高的效率。例如,转子中的铝含量越高,定子中的槽填充系数越高,电阻损失越小。优化的转子结构和转子-定子气隙减少杂散负载损失。改进的冷却风扇设计使电机冷却的风阻损失最小,转子和定子铁芯采用更高质量和更薄的钢叠片,可大大降低磁化损耗。最后,降低摩擦损失是由更高质量的轴承造成的。下图为交流感应电动机爆炸图,说明了外壳、轴承部件。

  

优化转子/定子叠片的尺寸及其所用钢材的质量

 

磁滞损耗和涡流损耗一起称为磁芯损耗,总损耗的20%左右是由涡流和磁芯饱和引起的。叠片中产生的涡流相对于不断变化的磁场移动,会导致显著的功率损失。叠层定子磁芯可减少涡流损耗,并基于铁的质量、电阻率、密度、厚度、频率和磁通密度,涡流损耗可以通过更多的叠片来最小化。

  

 

磁滞损耗是磁路在磁通量不断变化时产生的,电机中使用的大多数载荷材料是用于定子和转子铁心的钢,通过减少叠片厚度,使磁通密度和磁芯损耗最小化。通过退火选用更好等级的叠片用钢以改变晶粒结构以便于磁化,可以降低磁滞损耗。通过增加含硅钢的电阻率来减少涡流损耗,但硅含量增加了冲压过程中的模具磨损,因为它增加了钢的硬度。冲压过程中损坏的钢晶体严重降低了受影响体积的磁性质量。退火使叠片变平,并使冲压过程中受损的晶体再结晶,从而将一个薄板厚度延伸到叠片中。

  

使用浸浴工艺进行定子层压

 

浸渍定子加强定子绕组的电气绝缘,防止化学品或恶劣环境影响,并增强散热。热固性塑料包括环氧树脂、酚醛树脂和聚酯用于浸渍定子,采用洗浴方法是将定子浸入树脂中较长时间,以确保最佳渗透和保护。另一种浸渍方法被称为真空压力,它使用一个先排空然后加压的罐,以实现对定子的渗透。最终实现从电绕组中抽出气穴,提高了绕组的热导率。

 

设计定子中的槽,以最大限度地增加可插入铜的体积

 

槽满率一定程度会影响定子绕组使其质量低会导致总损耗的60%,因此为了减少总损耗,定子绕组的质量必须较大,从而降低电阻。与标准效率电机相比,高效电机含有超过20%的额外铜,定子的绝缘绕组被放置在钢片的槽内。横截面积必须足够大,以满足电机的额定功率。一般情况下,感应电动机采用开放式或半封闭式定子槽。在半封闭槽中,槽的开口比槽的宽度小得多,与开口槽相比,缠绕更困难,制造更耗时。在设计阶段必须选择定子槽的数量,因为该数量会影响重量、成本和运行特性。多槽的优点是减少漏抗,减少齿脉动损耗,提高过载能力,更多定子槽的缺点是成本增加、重量增加、磁化电流增加、铁损耗增加、冷却不良、温升增加和效率降低。

 

转子压铸采用优质纯铝

 

定制设计的转子可以最大限度地提高起动转矩,降低导体电阻,提高效率。大多数感应电动机转子都采用鼠笼式设计。它们坚固耐用,结构简单,价格较低,但它们的启动扭矩较低。铜转子提高了效率,但制造起来既困难又昂贵。 

 

转子和定子之间的气隙达到最佳

 

气隙是标准径向电机中电机转子和定子之间的径向距离。为了提高设计效率,需要保持最佳气隙。气隙尺寸涉及定子、转子、电机外壳和轴承的设计。所有这些都会影响定子和转子轴的精确对准。

 

漆包线

 

磁铁或漆包线是一种电解精炼的铜或铝线,已完全退火并涂有一层或多层绝缘层。例如,使用总共有12层绝缘层的电线。典型的绝缘膜,随着温度范围的增加,有聚乙烯、聚氨酯、聚酯和聚酰亚胺,最高温度可达250°C。较厚的矩形或方形磁铁线用高温聚酰亚胺或玻璃纤维胶带包裹,使用更多的铜,更大的导体棒和导体增加了定子和转子绕组的横截面积。这降低了绕组的电阻,并减少了电流造成的损耗,高效电动机的定子绕组中的铜通常会多出20%。 

总结
电机由很多的零部件构成,每个零部所提供不同的结构和功能属性不同,导致在电机系统的功能不同,每个零部件提供功能优劣最终影响电机输入性能。通过优化马达各个部件的性能,最终使电机的性能达到最优。

 

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