專利名稱：一種高效率低噪聲三相異步電動機及其關(guān)鍵制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三相異步電動機及其制造技術(shù)，更確切地說是涉及一種高效率低噪聲三相異步電動機及其定子繞組技術(shù)、定轉(zhuǎn)子鐵心磁負(fù)荷設(shè)計、電機風(fēng)扇結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)。
背景技術(shù)：
從節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的角度來看，在用電量比重極高(約占全國用電量的60％)的電動機上采用節(jié)能措施，是行之有效的。研發(fā)高效率、低噪聲電機是目前的國際發(fā)展趨勢之一。
從1992年美國發(fā)布新的能源法開始至今，目前電機效率制定有標(biāo)準(zhǔn)的國家有美國、加拿大、墨西哥、巴西、澳大利亞和新西蘭。中國也于2002年初頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)(GB18613-2002)《中小型三相異步電動機能效限定值及節(jié)能評價值》，規(guī)定了電動機的能效限定值及節(jié)能評價值。
眾所周知，三相異步電動機的主要損耗可分為定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、風(fēng)摩耗、雜散損耗五類，為了降低電機的損耗、提高電機的效率，通常以研究降低電機的鐵耗、風(fēng)摩耗、雜散損耗為主。
在工業(yè)發(fā)達(dá)國家里，德國西門子公司生產(chǎn)的高效率電機較為著稱，從其電機效率的主要指標(biāo)上來看，通過從設(shè)計、材料、工藝方法等方面加以改進(jìn)，效率還可進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高效率低噪聲三相異步電動機及其制備的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)涉及到定子繞組技術(shù)、定轉(zhuǎn)子鐵心磁負(fù)荷設(shè)計、電機風(fēng)扇結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，采用上述技術(shù)以便制成高效率低噪聲三相異步電動機。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明在現(xiàn)有的三相異步電動機上作了三方面的改進(jìn)，將傳統(tǒng)的定子繞組改由單層正弦繞組；將導(dǎo)磁材料改為冷軋硅鋼片，并經(jīng)過改進(jìn)加工工藝，提高性能；將散熱風(fēng)扇改進(jìn)其尺寸大小，使電機的風(fēng)摩耗和噪聲有所降低。
本發(fā)明的效益是十分明顯的，首先提高了電機的效率，比同類同規(guī)格的普通電機效率提高最大為4.2％，其次各種性能指標(biāo)比一般電機優(yōu)異，更重要是符合國家標(biāo)準(zhǔn)和能源政策。


圖1為本發(fā)明高效率低噪聲電動機定子正弦繞組示意圖；圖2為本發(fā)明高效率低噪聲電動機定子正弦繞組接線原理圖；圖3-a、圖3-b為本發(fā)明高效率低噪聲電動機風(fēng)扇結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
以下按照附圖1～圖3，來說明該發(fā)明的三相異步電動機的一種較佳的實施方案。
實踐證明，提高三相異步電動機效率的主要措施有以下三個方面一.定子線圈采用正弦繞組技術(shù)如圖1、圖2所示，這是本發(fā)明所采用的一種單層正弦繞組的結(jié)構(gòu)及接法的示意圖。定子線圈繞組的形式?jīng)Q定了繞組的基波分布系數(shù)和諧波含量，提高定子線圈繞組的基波分布系數(shù)和降低或削弱其諧波含量對電機的雜散損耗有較大的影響。目前，經(jīng)常所采用的定子繞組形式有單層繞組和雙層繞組，如現(xiàn)有技術(shù)的Y、Y2和Y3系列電機都采用這種形式。正弦繞組具有基波分布系數(shù)高和諧波含量較低的特點。
在單層繞組或雙層繞組普通60°相帶三相繞組中，除基波外，還存在一系列的諧波，這些諧波可分為相帶諧波和齒諧波，齒諧波由定、轉(zhuǎn)子開槽所引起，它具有與基波相同的繞組系數(shù)，故只能采用斜槽的辦法給予削弱；相帶諧波可通過選用適當(dāng)?shù)睦@組節(jié)距和增加繞組每極每相槽數(shù)予以削弱。正弦繞組與普通60°相帶三相繞組相比較，可通過采用不同的繞組匝數(shù)，使相帶諧波受到較大的削弱。
對于其中的160M-4樣機上進(jìn)行正弦繞組試驗的電機，其定子槽數(shù)為48槽，對正弦繞組和普通60°相帶繞組進(jìn)行分析計算后，正弦繞組與普通繞組相比，其基波分布系數(shù)較高，且5、7和17、19次相帶諧波基本完全消除，僅11、13次諧波的幅值兩者基本接近。這正是采用正弦繞組的優(yōu)勢所在。
另外，在同一臺樣機上，電機改為正弦繞組和普通繞組的對比試驗，正弦繞組有助于降低損耗，提高電機的效率。它的接線方式為串聯(lián)方式，即 圖1，其走線如圖2。
上述的接線方式，可以把它當(dāng)做一個“Y”連接一個“Δ”連接的相互獨立的三相對稱繞組。由于“Y”部分的每相繞組在空間的排列上，滯后于“Δ”部分繞組30°的空間電角度；以及“Y”部分的每相繞組所通過的電流比“Δ”部分繞組也相應(yīng)滯后30°的時間電角度，同時，“Y”部分的每相繞組所通過的電流與“Δ”部分繞組所通過的電流有如下關(guān)系IY=3IΔ---(1)]]>所以，正弦繞組的v次諧波磁勢幅值為Fmv=32[Fmgv(Δ)+(-1)kFmgv(Y)]---(2)]]>式中Fmgv(Δ)為“Δ”部分繞組產(chǎn)生的v次諧波磁勢幅值；Fmgv(Y)為“Y”部分繞組產(chǎn)生的v次諧波磁勢幅值；k為決定v次諧波次數(shù)的數(shù)值v＝6k±1(k＝1、2、3………) (3)對于在160M-4樣機上進(jìn)行正弦繞組試驗的電機，其定子槽數(shù)為48槽，其中“Δ”部分繞組和“Y”部分繞組每極每相槽數(shù)為qY＝qΔ＝q/2＝4/2＝2 (4)則v次諧波的繞組系數(shù)為Kdpv=sinq2vα2q2sinvα2sin(v·yτπ2)---(5)]]>式中α--槽電角度；y--節(jié)距(以槽數(shù)計)；τ--定子極距(以槽數(shù)計)。
為了便于各種繞組形式之間的比較，采用v次諧波幅值Fmv與基波幅值Fm1之比來表示v次諧波的大小，即有FmvFml=1v·KdpvKdpl---(6)]]>根據(jù)式(4)、(5)、(6)，對正弦繞組和普通60°相帶繞組進(jìn)行分析計算后，正弦繞組與普通繞組相比，其11、13次諧波的幅值兩者基本相近，而5、7和17、19次相帶諧波基本完全消除，這便是采用正弦繞組的優(yōu)勢所在。
二.電動機定、轉(zhuǎn)子鐵心技術(shù)1)采用冷軋硅鋼片考慮到高效率電機的效率指標(biāo)高于現(xiàn)有的Y、Y2和Y3系列電機，同時小功率電機的效率提高得較多，為滿足效率這一主要的技術(shù)性能指標(biāo)要求，在高效率電機設(shè)計時，應(yīng)優(yōu)先選擇冷軋硅鋼片。通過選用不同牌號的冷軋硅鋼片進(jìn)行模擬設(shè)計對比，分別選用牌號1(B50≥1.67T，P15/50≤4.5W/kg)和牌號2(B50≥1.68T，P15/50≤5.0W/kg)計算同一規(guī)格的設(shè)計方案。由計算數(shù)據(jù)對比可知，采用鐵耗比損耗較大的牌號2的設(shè)計方案，其用銅量、用鐵量、用鋁量比采用牌號1時分別增加4.35％、8.39％和6.04％，也即電機的有效成本增加。同時，電機的鐵心長度相應(yīng)增長，這將給電機結(jié)構(gòu)的設(shè)計及裝配帶來許多困難。因此，選用牌號1冷軋硅鋼片是較為有利的。
2)應(yīng)用冷軋硅鋼片時鐵心磁負(fù)荷的設(shè)計參數(shù)電機鐵心磁負(fù)荷設(shè)計參數(shù)的選取，直接影響到電機有效材料用量的多少，與電機的運行性能和制造成本有密切的關(guān)系。冷軋硅鋼片的磁密值比熱軋硅鋼片高，但冷軋硅鋼片的磁密有取向性及對沖剪應(yīng)力較強的敏感性，又限制了其良好導(dǎo)磁性能的使用。在高效率電機樣機試驗時，進(jìn)行了電壓為380V和405V時的對比試驗，以模擬電機磁負(fù)荷在不同取值時對電機效率和功率因數(shù)的影響。在電壓由380V增高至405V時，電機的磁負(fù)荷取值也相應(yīng)增高，電機功率因數(shù)比效率變化的情況明顯。功率因數(shù)指標(biāo)的變化情況為小功率5.5kW樣機由0.83下降為0.78，減小了0.05；大功率30kW樣機由0.89下降為0.87，減小了0.02。效率指標(biāo)的變化情況為小功率5.5kW樣機由89.75變?yōu)?9.45，減小了0.3％；大功率30kW樣機則由93.85變?yōu)?3.855，基本保持不變。上述的變化情況還說明，在磁負(fù)荷取值相近且增高幅度相同的條件下，小功率電機對沖剪應(yīng)力的影響更敏感。也即小功率電機與大功率電機磁負(fù)荷的取值范圍可不完全相同。也即小功率電機與大功率電機磁負(fù)荷的取值范圍不完全相同。一般定子齒磁密幅值取值在1.52～1.56T左右，小功率電機取偏小值。
3)定子鐵心齒部和軛部磁負(fù)荷的合理配置鐵耗一般又可分為定子齒部鐵耗和軛部鐵耗兩部分，這兩部分鐵耗同樣與磁負(fù)荷的選取密切相關(guān)。經(jīng)統(tǒng)計分析，一般鐵心的軛部鐵耗大于齒部鐵耗，故軛部磁負(fù)荷的取值不易太高。但在實際設(shè)計時，軛部與齒部的尺寸及磁負(fù)荷又相互關(guān)聯(lián)，在定子鐵心有效尺寸確定的條件下，兩者的尺寸與磁負(fù)荷應(yīng)進(jìn)行合理配置，以使定子齒部鐵耗與軛部鐵耗之和為最小。5個規(guī)格樣機在設(shè)計時采用了這一措施，取得了良好的效果。
4)合理選用冷軋硅鋼片沖模間隙電機定、轉(zhuǎn)子沖片的模具間隙直接影響沖片沖切斷面的質(zhì)量。合理的沖模間隙，能保證剪切裂紋相重合，所得的斷面清晰，并略帶斜度。如間隙過小，從凸模和凹模刃邊出發(fā)的兩個剪切裂紋不重合，其間就形成毛刺；如間隙過大，則鋼片被拉入間隙，也形成毛刺。同時，模具間隙也將影響沖片的尺寸和形狀精度，從而影響鐵心的疊壓質(zhì)量。
沖模間隙還將直接影響模具的壽命，間隙合理時，硅鋼片的剪切應(yīng)力最小，模具壽命最長。合理的模具間隙能保證沖片斷面清晰、毛刺很小、模具刃口無粘連、模具壽命較高。影響冷軋硅鋼片沖模間隙的主要因素是冷軋硅鋼片的機械性能和厚度。而其中最主要的材料性能是拉伸強度、延伸率和表面硬度等。
冷沖模設(shè)計手冊根據(jù)熱軋硅鋼片的機械性能，推薦熱軋片沖模雙面間隙為0.06～0.08mm；冷軋硅鋼片的機械性能(硬度、拉伸強度)比熱軋片低，與紫銅(硬)接近，因此，冷軋硅鋼片沖模的雙面間隙控制在0.04～0.06mm之間較為合理。按照這一推薦值，所試制的冷軋沖片的質(zhì)量(如平整度、毛刺等)也比較理想。
5)冷軋硅鋼片定子鐵心的迭壓力鐵心壓裝有三個工藝參數(shù)壓力、鐵心長度、鐵心重量。為了使鐵心壓裝后的長度、重量和片間壓力均達(dá)到要求，應(yīng)正確處理好三個工藝參數(shù)之間的關(guān)系。在保證鐵心長度符合要求的情況下，壓力越大、壓裝的沖片越多、鐵心越緊密。但壓力過大，會破壞片間的絕緣，使鐵心損耗反而增加。壓力過小則鐵心壓不緊，不僅使激磁電流及鐵心損耗增加，嚴(yán)重的還會引起沖片松動，造成故障。對于采用熱軋沖片制造的定子鐵心(如Y2系列電機)，定子鐵心的迭壓力一般為30～40kgf/cm2。
從試驗結(jié)果來看，由于冷軋硅鋼片平整、同板差小、硬度較低。一般冷軋片定子鐵心的迭壓力取30～35kgf/cm2為宜。同時因定子鐵心壓緊后，冷軋硅鋼片的定子齒部彈開度也比熱軋片小，從幾批樣機試制的情況看也如此，故在工藝文件中將齒部彈開公差較熱軋片減小1mm。
6)冷軋硅鋼片的迭壓系數(shù)迭壓系數(shù)是電磁計算中計算凈鐵心長度必須選取的系數(shù)。該系數(shù)的正確與否，對電機的性能和設(shè)計有較大的影響。為了獲取冷軋硅鋼片的迭壓系數(shù)，按照GB3533-1988國家標(biāo)準(zhǔn)中迭壓系數(shù)的測定方法對四組試樣進(jìn)行了測試，在試樣表面垂直施加0.34N/mm2(約3.4kgf/cm2)的壓力。
該電動機的定、轉(zhuǎn)子鐵心迭壓力選擇，包括下述步驟a.鐵心迭壓力的確定；b.然后選取迭壓系數(shù)；c.再劃出鐵心疊片迭壓系數(shù)的關(guān)系曲線；d.最后確定較佳的迭壓系數(shù)。
在所述的較佳迭壓系數(shù)，以0.98為宜。
三.電動機通風(fēng)和風(fēng)扇技術(shù)如圖3-a、圖3-b所示，它是本發(fā)明電動機的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)示意圖。這里要說明的是，由于高效率低噪聲電機的效率比普通電機為高，其產(chǎn)生的熱負(fù)荷則比普通電機低，故高效率電機所需要的風(fēng)量也比普通電機少。因此，應(yīng)重新設(shè)計一個合理的結(jié)構(gòu)風(fēng)扇形式，以滿足高效率電機的實際需要。為此，進(jìn)行了試驗對比。
電機外風(fēng)扇直徑的大小，對電機的損耗和溫升有直接的影響，在確定風(fēng)扇葉片直徑時，既要考慮電機的溫升符合要求，同時又要考慮電機的風(fēng)摩耗應(yīng)盡可能小，以提高電機效率。
經(jīng)試驗表明，不同規(guī)格風(fēng)扇風(fēng)葉直徑選取在120～215mm較佳。其推薦值為120mm或190mm。
以上所述的高效率低噪聲三相異步電動機，由于在上述幾個方面的技術(shù)，與同類電動機相比，效率提高了2～4％。
權(quán)利要求
1.一種高效率低噪聲三相異步電動機及其制備的關(guān)鍵技術(shù)或制備方法，它包括一定子、一轉(zhuǎn)子、一風(fēng)扇，定子還包含繞組鐵心，轉(zhuǎn)子還包含鐵心；其特征在于所述的定子繞組是一種單層正弦繞組，該繞組結(jié)構(gòu)是一種有利于提高電機效率的結(jié)構(gòu)；所述的定、轉(zhuǎn)子鐵心采用冷軋硅鋼片，該電工鋼片的加工工藝有利于降低電機的鐵耗；所述的散熱風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，其直徑選用范圍在120～215mm。
2.如權(quán)利要求1所述的高效率低噪聲三相異步電動機及其制備方法，其特征在于所述的定子繞組是一種單層正弦繞組，其接法為“Δ-Y”串聯(lián)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的高效率低噪聲三相異步電動機及其制備方法，其特征在于所述的定子正弦繞組與此配合的定子槽數(shù)為48槽。
4.如權(quán)利要求1所述的高效率低噪聲三相異步電動機及其制備方法，其特征在于所述的散熱風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，其直徑選用范圍在120mm。
5.如權(quán)利要求1所述的高效率低噪聲三相異步電動機及其制備方法，其特征在于所述的散熱風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，其直徑選用范圍在190mm。
6.如權(quán)利要求1所述的高效率低噪聲三相異步電動機及其制備方法，其特征在于所述的定、轉(zhuǎn)子鐵心采用冷軋硅鋼片，其加工工藝包括鐵心迭壓力選擇，包括下述步驟1)鐵心迭壓力確定；2)選取迭壓系數(shù)；3)劃出迭壓系數(shù)關(guān)系曲線；4)確定較佳迭壓系數(shù)。
7.如權(quán)利要求1或6所述的高效率低噪聲三相異步電動機及其制備方法，其特征在于所述的迭壓系數(shù)，其較佳值為0.98。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高效率低噪聲三相異步電動機及其制備的關(guān)鍵技術(shù)或制備方法，適于三相異步電動機技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括一電機的定子、轉(zhuǎn)子、和散熱風(fēng)扇，其特征在于電機的繞組是一種單層正弦繞組；定、轉(zhuǎn)子鐵心采用冷軋硅鋼片，并采用不同于現(xiàn)有技術(shù)的加工工藝，有利于降低電機的鐵耗；散熱風(fēng)扇的特點是選用了較佳的風(fēng)扇直徑。由于采用了上述技術(shù)和工藝，三相異步電動機的效率完全達(dá)到了中國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB18613－2002)《中小型三相異步電動機能效限定值及節(jié)能評價值》中節(jié)能評價值指標(biāo)，并達(dá)到德國西門子公司(2003年產(chǎn)品樣本)同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。
文檔編號H02K1/00GK1652434SQ200410016070
公開日2005年8月10日 申請日期2004年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月3日
發(fā)明者黃堅, 鄭虹億, 黃磊, 黃力明, 梁慶信 申請人:上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司