超高效率三相异步电动机设计分析摘要：本文主要从电机特性分析、电动机系列主要内容的考虑等方面展开讨论， 探讨了 三相异步电动机设计的主题，旨在与同行探讨学习，共同进步。关键词；二相异步电动机；超高效率；铸铜转子三相异步电动机的技术指标主要包括效率、功率因数、堵转转矩倍数、堵转 电流倍数、最大转矩倍数、温升、振动、噪声等。铸铜转子超高效率二相异步电 动机（简称铜转子电机）在保证效率达到IE3超高效率技术水平的同时，还要保证其 他技术指标符合常规二相异步电动机的要求，使电动机处于良好的工作状态。本 文通过对铜转子电机与铝转子YX3系列（GB/T227222008）电机的技术指标进行对 比分析，同时辅以典型样机的试验数据进行验证，以求确定符合铜转子超高效率 三相异步电动机特性的合理的技术指标。近期，云南铜业压铸科技有限公司与南阳防爆集团股份有限公司、上海电器 科学研究所（集团）有限公司就铸铜转子超高效率二相异步电动机产品的开发开展 了合作，结合样机的试制情况，编制完成了 YBZT系列隔爆型铸铜转子超高效率 三相异步电动机技术条件和YZTE3系列铸铜转子超高效率二相异步电动机技术条 件国家标准。1电机特性分析在设计过程中，保持电机定、转子铁心三圆尺寸不变，仅对铁心槽形和长度进行 调整、优化。这样可以最大限度地利用现有机座号的三相异步电动机机座、端盖 和轴承等零部件，节约了研发、生产成本。为了分析电机各参数对电机性能的影响，首先从图1所示的三相异步电动机的 等效电路图人手,对电机效率和堵转电流和堵转转矩等进行分析。在其余条件不变的情况下，采用铸铜转子后仅对电机的转子电阻产生影响，按 照电机设计的方法,在计算得到图1中相关参数后，在转子槽形不变的情况下计算 得到该电机的转子电阻分别为,R2AI=0.290,R2Gn=0.115，代人式（1），式（2,计算 得到电机的转矩一转差率曲线和电流转差率曲线分别如图和图所示。从图2,图3,可以直观地判断电机转子材料由铸铝改为铸铜材料后,堵转电 流增大，堵转转矩减小。但在采用等效电路进行分析时,由于忽略了堵转时电机转 差率大而造成的转子电阻增加，以及堵转时电抗的变化，因此该分析结果仅能作为 电机设计的定性参考。考虑到采用传统设计方法调整电机铁心参数得到的设计结 果误差较大（在槽形复杂时更为明显），因此下面将采用有限元方法对电机参数进行 调整，并对调整参数后的电机性能进行分析和设计。电动机系列主要内容的考虑基于以上原因，开发超高效率电动机已显得非常必要。随着电动机效率的不断 提高，在降低电机损耗的措施研究方面，铜与铝相比所具有的良好导电性，引起了人 们的高度重视。开展铸铜工艺研究来替代铸铝转子已成为提高电动机效率的有效 措施之一。近几年云南铜业与国际铜业协会北京代表处合作,在铸铜工艺技术的推 广应用方面开展了卓有成效的工作。近期，云南铜业、国际铜业协会北京代表处、 中国标准化研究院和上海电器科学研究所（集团）有限公司就联合开展铸铜转子 超高效率二相异步电动机系列产品的开发达成了共识。铸铜转子超高效率二相异步电动机系列产品的开发，主要考虑从以下几个方面开展工作。功率等级及范围的选取由于转子铸铜工艺是一项新技术，尚还需要在使用过程中不断完善。为此，结 合铸铜转子工艺本身的特点及市场发展的需要,本产品的开发目前主要以小功率 电机为主，电机的同步转速为3000、1500、1000 r /m i n三种（对应的电机极数为 2、4、6极）,系列产品的功率范围为0. 7537k W。同时,针对美国将于2011年 在全球范围内率先强制推行超高效率标准电机,拟开发50 H z和60 H z 2个系列产 品，以满足国内和美国市场的需求。两个系列产品的情况分述如下。一一, 50Hz系列产品50 H z 系列产品的功率等级为 0. 75、1. 1、1. 5、2. 2、3、4、5. 5、7. 5、11、 15、18. 5、22、30、37kW。转速（或极数）对应的功率范围为2极0. 7537 k W;4极0. 7530 k W;6极 0. 75 22 k W。安装尺寸的选择。考虑到与现有产品的互换性及能够快速推向市场,50 H z系 列电动机的安装尺寸按旋转电机尺寸和输出功率等级（G B /T 4772. 1- 1999）和 I E C 60072文件的相关规定。对应50 Hz电机的功率等级与转速、机座号的对应 关系如表3所示。二.60 Hz系列产品60 H z 系列产品的功率等级为 0. 75、1. 1、1. 5、2. 2、3. 7、5. 5、7. 5、11、 15、18. 5、22、30、37kW。转速（或极数）对应的功率范围为2极0. 7537 k W;4极0. 7537 k W;6 极 0. 7522 k W。安装尺寸的选择。对应60 H z系列电动机的安装尺寸参照N E M A标准的相 关规定，其电机功率等级与转速、机座号的对应关系如表4所示。主要性能指标一. 效率指标。由于铸铜转子具有损耗低、效率高的特点，本项目以超高效率 标准为设计目标，超高效三相异步电动机的效率标准选择与最新的国际电工委员会I E C 60034- 30: 2008中I E 3的指标相一致，对应50 H z和60 H z的标准分别如表5、 6所示；二. 其他性能指标。根据超高效率电机的特点，功率因数、堵转电流和堵转转矩等指标可根据设计 做适当调整，但堵转电流和堵转转矩指标相应应符合单速三相笼型感应电动机 起动性能（G B /T 21210-2007）标准和N E M A标准B设计的相关规定。空载噪声和负载噪声指标应符合G B /T 10069. 3旋转电机噪声测定方法及限 值第三部分:噪声限值的规定。振动指标应符合G B 10068轴中心高为56mm及以上电机的机械振动振动的 测量、评定及限值的规定。主要设计参数冲片外径。50 H z系列电动机的定子外径尺寸拟与我国的YX3电机相同,60 H z系列电动机的外径拟与铸铝转子超高效电动机系列产品的外径尺寸相同，以提高 产品的通用性；同时，从降低成本的角度出发，可进行必要适当的调整。绝缘等级。从提高产品可靠性角度考虑，铸铜转子超高效三相异步电动机的绝 缘结构采用F级绝缘结构，但电机的温升按B级考核。导电材料。定子绕组采用F级绝缘电磁线;转子铸铜采用国标规定的一级电 解铜（铜的纯度为99. 99）。导磁材料。按主要满足超高效率性能指标考虑，以采用低损耗冷轧硅钢片 W470为主，同时从降低成本的角度考虑，兼顾采用W600等其他冷轧硅钢片牌号 的可能。结语；随着国家节能减排政策的推行，现有电机由于达不到最新的能效限定值和节能 评价值标准而将面临逐步淘汰，因此势必开发节能效果好的超高效电机。本文通过 设计、分析，给出了一种不改变电机铁心三圆尺寸,而通过采用铸铜转子、调整电 机槽形尺寸和绕组参数来实现超高效的电机设计方案，最大限度地利用现有机座 号的三相异步电动机机座、端盖和轴承等零部件，节约了研发、生产成本。采用该 设计方案的电机不仅效率达到了最新能效标准的要求,其堵转电流和堵转转矩等技 术条件也符合代一的要求，具有较好的社会和经济效益。参考文献；超高效率三相异步电动机的一种设计方法_朱楷开发铸铜转子超高效率三相异步电动机系列产品的考虑_李志强中小型三相异步电动机效率综述_黄坚铸铜转子超高效率电动机的研制_黄坚铸铜转子超高效率三相异步电动机技术性能分析_杨旭