马拉松电机是如何设计高效电机的——提升电机效率可行性方法案例分析

引言

工业和信息化部、国家质量监督检验检疫总局联合发布《电机能效提升计划（2013-2015年）》，明确了在用低效电机淘汰路线图，其中2015年底前淘汰2003年（含）前生产的Y、Y2、Y3系列低压三相异步电动机和电机生产企业自行命名的低压低效三相异步电动机。

具有百年历史的国际化电机品牌马拉松电机一直致力于超高效电机的研发和制造，针对国家政策已经明确要求淘汰低效电机的情况，马拉松电机为客户提供丰富的高效电机订制化设计方案。其中有很多客户在要求提高电机效率的同时，并不希望改变电机的外形和安装尺寸，不希望改变配套设备的尺寸。

这意味着电机的外壳部件、铁心长度、定子冲片外圆等尺寸都不能改变，给电机设计带来了空前的难度。经过反复计算，多次实验，多次调整，我们成功地在不改变电动机外形尺寸条件下，以较低成本，将315中心高电机的效率等级从高效IE2提高至超高效IE3。

降低电动机损耗的措施

根据IEC60034-30标准的规定，IE3电动机比IE2电动机平均效率提高约一个百分点。以315中心高2极电机中较大功率200kW电动机为例，效率须从95.0%提高至95.8%，315中心高4极电机中较大功率200kW电动机，效率须从95.1%提高至96.1%。

众所周知，电动机的损耗主要由定子铜耗、转子铝耗、铁耗、机械损耗和杂散损耗组成，超高效电动机的开发，必须从降低这五大损耗着手，采取多种举措，挖掘潜力，降低损耗，提高电动机的效率。

（1）增加有效材料，降低铜、铁、铝耗

根据电动机相似原理，当电磁负荷不变，且不考虑机械损耗时，电动机效率的变化可近似表示为：

式中: η——现电动机的效率；

a——电动机的长度比例系数；

η0——原始电动机的效率。

从式(1)可见，效率与有效材料长度的线性增长成反比。所以，有效材料的增加能使效率值提高。

为了在一定的安装尺寸条件下获得较大的空间，以便能放置较多的有效材料来提高电动机的效率，定子冲片外径尺寸成为一个重要因素。对于IE3超高效电动机，由于其效率提高幅度较大，仅靠轴向尺寸的增加来提高效率是很困难的，为此很多公司选择了放大定子冲片外径的方案。

这意味着机座、端盖、风罩等外壳部件均须全部新制，不仅大量增加成本，而且结构件的力学和固有频率都需重新核算、分析和试验。不仅如此，电动机的外形尺寸会比现有的IE2高效电机大，这将改变客户配套设配，增加客户使用成本，这是很多客户所不能接受的。

既然定子冲片外径和铁心长度都不能改变，意味着铁的用量无法增加，那我们只能考虑如何增加铜和铝的用量。我们发现315中心高电机的冲片对铜和铝的利用率并不很高，于是参考我公司某一系列电动机的三圆尺寸，将定子铁心内圆缩小，增加定子槽深，增加铜的用量；同时增加转子槽深，增加铝的用量。

以315中心高2极较大功率为例，即以H 315－2－200kW电机为例，保持铁心长不变，定子外圆不变，缩小定子内径尺寸后，铜和铝的用量均有明显提高，见表1。

由于铜和铝用量提高，铜、铁、铝的损耗也相应降低，同样以H315-2-200kW为例，表2列出的铜、铁、铝的损耗平均降低20%左右。

由此，在不改变定子外圆和铁心长的条件下，顺利把铜、铁、铝三大损耗降低了20%左右。

（2）采用高牌号的磁性材料，降低铁耗。

铁心材料的电磁性能对电动机的效率及其他性能影响较大，同时铁心材料又是构成电动机成本的主要部分之一，因此选用合适的磁性材料是设计和制造IE3超高效电动机的关键。

由于铁耗占总损耗的比例较大（约占电机总损耗的25%，不同极数的电机比例有所不同），大幅降低铁耗显得很有必要。由于受到轴向尺寸和中心高的限制，单纯的增加有效材料达不到大幅降低铁耗的目的，因此必须选用低损耗的硅钢片。

我们选用了2种牌号的硅钢片进行了对比，分别是50W400和50W600。表3是试算的2个规格电动机在电磁方案不变的情况下，采用不同牌号硅钢片时，电动机损耗的情况。

从表3可以看出，选用低损耗的50W400冲片，铁耗下降明显，可以将200kW电动机铁耗降低20%左右。

通过样机试验结果对比，315中心高超高效IE3电动机选用低损耗的50W400能有效降低铁损，增加电动机效率。

（3）合理控制电动机温升。

GB/T1032和IEEE112B法规定杂散损耗采用实测，实际损耗根据实际运行温度来进行计算，可以真实反映电动机真实的运行、制造和设计的水平，同时把温升引入到定、转子损耗的计算中，充分考虑了温升对效率的影响。

GB/T1032和IEEE112B法对定、转子损耗和杂散损耗的规定可以得出以下结论：定子铜耗、转子铝耗与电动机温升成正比，随着温升的升高，损耗增加，效率将低；同理，随着温升的降低损耗减小，效率增大。

对于温升不高的电动机，可以通过减小风扇外径，降低机械损耗的方法来提高电动机的效率。但对于315中心高200kW电动机来说，IE2高效电动机的温升已接近极限值。

所以对于315中心高的电动机来说，用减小风扇外径的方法来降低电动机损耗的方法效果并不理想。反而，通过降低电动机温升的方法，来降低铜、铁、铝的损耗更为合理。从表4可以看出，将温升降低20℃，电动机铜耗、铝耗可以平均降低6.2%。

以H 315-4-200kW为例，风扇外径缩小35mm，其他尺寸不变，机械损耗下降180W，但温升上升将近15K。温升增大导致铜耗、铝耗增大。从试验结果看，如果风扇外径不减小，H 315-2-200kW电动机温升由73K降低至52K；H 315-4-200kW电动机温升由79K降低至56K。电机效率完全合格。

所以针对以上案例，减小风扇外径并不能有效降低损耗、提升效率，合理控制温升才是降低损耗的有效途径。

（4）降低杂散损耗。

杂散损耗是指由气隙磁场高次谐波所产生的负载杂散损耗，IE3超高效电动机按GB/T1032和IEEE2B法，实测杂散损耗，这就要求电动机设计与制造时，重视质量，降低杂散损耗。

①增大电动机的气隙。电动机的表面损耗与谐波磁场的幅值和频率有关，适当地增大气隙长度，可以有效地削弱谐波磁场的幅值，降低表面损耗。这部分损耗与气隙的关系为：

式中：k——系数
      δ——气隙长度。

由式（2）可知，适当增大电动机的气隙，减小定、转子谐波磁通的幅值，可以有效地减少杂散损耗。

②采用低谐波绕组。由于沿铁心表面按正弦曲线分布的电流层所产生的磁势是按正弦曲线分布的，因此将槽内的导体数量适当分配，使槽内电流沿铁心表面按正弦规律分布，便可得到更接近于正弦波形的磁势曲线。从而大大削弱相带谐波磁势，并能有针对性地消除5次和7次谐波幅值，有效的降低电动机的杂散损耗。

表5列举了IE2-315-4-200kW电机采用低谐波绕组与普通双层叠绕的试验性能数据，由此看出，采用低谐波绕组，不仅可以大大降低杂散损耗，而且可以降低温升，节省铜线用量。

③其他。如控制端部尺寸、提高制造工艺和精度等，在此不详细展开描述。

2、降低电动机成本的措施

（1）减少模具成本。

由于沿用IE2电机的所有结构件，没有任何模具成本增加，所以本方案可节省机座模具、端盖模具、风罩拉伸模、铸铝模等模具成本至少30万人民币左右，在此不详细展开描述。

（2）减少材料成本。

相比采用放大定子外圆或增加铁心长的铜、铁、铝用材，本方案更加节省成本。表6列举了 IE3-315-2-200kW采用本方案和放大定子外圆方案三大主材成本对比，其中可以看出本方案在主材成本上占有优势。

表6列举的两个方案均是双层叠绕的方案，如采用低谐波绕组将比采用双层叠绕节省约7%~10%铜使用量。

同时，本方案比放大定子外圆方案拥有更小的结构件重量，包括机座和端盖，这将有效降低铸铁使用量至少10%。

（3）减少客户使用成本。

电机正朝着效率越来越高，功率越来越大，体积越来越小的方向发展。同时电机配套的设备，如压缩机、泵、风机、造纸机、矿山机械、轻工机械、机床、起重卷扬设备等，也朝着同一方向发展。电机外形尺寸的增大，迫使部分客户配套设备发生相应改变，增加客户使用成本，这与电机及其配套设备的发展方向背道而驰。

采用本方案的电机效率等级从IE2提高至IE3，但外形不发生变化，避免了客户改造配套设备，减少了客户的使用成本。

3、结语

发展超高效电机是符合国家节能中长期发展规划的要求，也是目前世界各国为解决能源紧张、减少大气污染等采取的主要措施。在不改变外形尺寸的条件下，马拉松电机通过对电动机各种损耗降低措施的综合运用，在设计中大幅度降低电动机的各种损耗，将315中心高电动机的效率等级顺利地从IE2提升至IE3。将IE1、IE2、IE3电机统一了外形尺寸，不仅降低成本，还减少了客户设备投资，以经济的方式进行了能效升级。