不同测试方法对电动机效率的影响

顾德军

(上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海 200063)

0 引言

最新发布的IEC 60034-30:2008“单速，三相笼型感应电动机的能效分级(IE代码)”标准规定:效率的测试方法要参照IEC 60034-2-1(2007版)，对IE1(普通效率)及以下能效指标的电动机，可以采用中和低不确定度的测试方法，对于IE2(高效率)及以上效率指标的电动机，只能采用低不确定度的测试方法。在IEC 60034-2-1(2007版)中，取消了欧盟及中国能效现行标准所依据的按输入功率0.5%估算杂散损耗的测试方法，并明确反转法为高不确定度的杂散损耗测试方法，欧盟新推出的EH-star法为中不确定度的杂散损耗测试方法，美国的IEEE 112B法为低不确定度的杂散损耗测试方法。

我国目前Y、Y2、Y3、YX3等系列电动机均采用按输入功率0.5%估算杂散损耗的测试方法。高效率电动机采用新测试方法的实施，对电动机的效率测试值有一定的影响。

1 测试方法对比

采用按输入功率0.5%估算杂散损耗的测试方法和IEEE 112B法对电动机的效率影响是不同的。根据国外有关资料显示，采用按输入功率0.5%估算杂散损耗的测试方法所测得的效率指标比IEEE 112B法约高1.2%，这些数据很接近这两种试验方法所测杂散损耗的差值，两者仅相差0.1%～0.2%。在国际开发署的支持下，美国和欧洲的电动机工作者进行了频率为50 Hz、功率范围0.75～375 kW、共36台样机所测效率值的统计数据的调查分析，数据如表1所示。

表1 采用0.5%P1估算杂散损耗和IEEE 112B所测效率值的统计数据

从表1可看出，对于同一台电动机，采用不同的测试方法，效率值是不同的，采用IEEE 112B法测试效率指标要低一些。IEC 60034-30“单速，三相笼型感应电动机的能效分级(IE代码)”对效率指标的制订，也考虑了目前采用按输入功率0.5%估算杂散损耗的测试方法与IEEE 112B法对效率的影响。表2为两种效率测试方法的比较。

表2 采用0.5%P1估算杂散损耗和IEEE 112B法的比较

通过表2可知，IEEE 112B法与按输入功率0.5%估算杂散损耗的测试方法最大的不同就是实测杂散损耗和绕组损耗温度修正。下文就这两方面对效率测试值的影响进行分析。

2 杂散损耗的影响

2.1 目前国内电动机产品实测杂散损耗分布的规律

IEEE 112B法实测电动机杂散损耗的试验方法对设计的影响，需要进行大量的试验来发现杂散损耗分布的规律。因此，整理了108台频率为60 Hz的电动机和53台50 Hz电动机采用IEEE 112B法实测杂散损耗的数据，不同功率等级电动机杂散损耗与额定功率的比值分别如图1、2所示。

图1 60 Hz电动机杂散损耗与额定功率的比值

图2 50 Hz电动机杂散损耗与额定功率的比值

通过图1和图2可以看出:按IEEE 112B法实测电动机杂散损耗与额定功率的比值随着功率的增大逐渐减小，60 Hz电动机的这种趋势比较明显，同时60 Hz电动机平均杂散损耗较50 Hz电动机小，可能是由于出口美国的尼玛电动机采用IEEE 112B法测试，生产厂家比较重视杂散损耗的控制;对于50 Hz电动机平均杂散损耗偏高的问题，这主要是由于我国现行的 Y、Y2、Y3、YX3等系列电动机采用按输入功率0.5%估算杂散损耗的测试方法，厂家对实际杂散损耗的控制没有重视，导致电动机的杂散损耗值偏高。

因此，采用IEEE 112B法测试后，电动机的杂散损耗实测值要比按输入功率0.5%估算杂散损耗的计算值大，效率比按输入功率0.5%估算杂散损耗的测试方法要小。杂散损耗与额定功率的比值随着功率的增大而减小，效率的差值随着功率的增大而变小。电动机的杂散损耗值与电动机的设计方案和工艺有很大的关系，必须寻求降低杂散损耗的措施，降低电动机的杂散损耗。

2.2 降低杂散损耗的措施

杂散损耗主要是指由气隙磁场高次谐波所产生的负载杂散损耗，主要由表面损耗、横向电流损耗、脉振损耗、高频损耗、漏磁通损耗等组成。降低杂散损耗的措施主要有以下几方面:

(1)改变槽配合，增加定、转子槽数，减小定、转子齿谐波磁势的幅值，采用近槽配合，减小谐波磁通的脉振，降低杂散损耗;

(2)适当增大电动机的气隙，减小定、转子谐波磁通幅值，降低杂散损耗;

(3)定子绕组采用包含较小谐波成分的绕组或适当节距的双层绕组，如正弦绕组、单双层绕组等，这些绕组所包含的相带谐波成分都比单层绕组小，可以减小杂散损耗;

(4)工艺上可通过转子槽绝缘处理工艺来降低转子中的高频横向电流损耗;除了以上措施外，还可以采用其他措施降低杂散损耗，这里不再进行表述。

3 温升的影响

3.1 IEEE 112B法对定、转子损耗的规定

IEEE 112B法与采用按输入功率0.5%估算杂散损耗的测试方法相比，增加了绕组损耗温度修正，标准中对定、转子损耗的规定如下。

(1)定子绕组I2R损耗:

式中:I1——负载试验测得的线电流的平均值;

Rs——折算到规定温度时的绕组端电阻;

RN——额定负载热试验后测得的端电阻的平均值;

K1——导体材料在0℃时电阻温度系数的倒数;

θN——额定负载热试验测得的绕组最高温度;

θa——热试验环境温度。

(2)转子铜耗的计算公式为

式中:P1——输入功率;

Pcul——规定温度下定子绕组I2R损耗;

PFe——铁耗;

SS——规定温度下的转差率;

S——负载试验时的转差率;

K1——导体材料在0℃时电阻温度系数的倒数;

θN——额定负载热试验测得绕组最高温度;

θa——热试验环境温度;

θt——试验时各负载点的定子绕组温度。

通过式(1)～(4)可以看出，定、转子铜耗与电动机的温升成正比，随着电动机温升的升高损耗增加，随着温升的降低损耗减小。

3.2 对比试验数据

对4台电动机的外风扇进行调整，进而改变通风系统的冷却风量，改变电动机的温升，采用IEEE 112B法进行试验，测试数据如表3所示。

表3 温升对比试验数据

由表3可以看出，增大外风扇，冷却风量增加、电动机温升降低，定、转子损耗值下降，由于定、转子损耗降低幅度超过了机械损耗增加的幅度，效率都有所提高。

一台电动机需要的冷却风量与其实际的损耗有关，当冷却风量达到一定数值时，电动机发热与散热达到平衡后，温升基本稳定。因此，过大的冷却风量冷却效果不一定好，反而增大了机械损耗。采用IEEE 112B法测试时，定、转子铜耗与温升成正比例关系，这两个参数与冷却风量(机械损耗)的变化是相反的。在材料不变的情况下，通过增大冷却风量降低温升，温升的下降使得定、转子铜耗下降，同时增大冷却风量导致机械损耗上升，如果定、转子铜耗下降幅度大于机械损耗上升幅度，效率就会提高，反之，效率就会下降。因此，电动机材料用量、温升与机械损耗三者合理匹配问题需要进行大量的工作，这对电动机效率的提高也十分关键。

3.3 两种试验方法对电动机设计的影响

通过上述分析可以看出，采用按输入功率0.5%估算杂散损耗的测试方法，由于定、转子损耗均换算到电阻基准温度130(B)级95℃、155(F)级115℃时进行，与电动机的实际温升无关。在其他性能指标合格的情况下，对于温升不高的电动机，可以通过减小风扇，降低机械损耗，提高电动机的效率，同时降低通风噪声。虽然降低冷却风量提高了电动机的温升，减小了温升裕度，但温升还在标准的规定范围内。通过减小风扇提高效率的方法经常被设计者采用，效果也很好。

如果采用IEEE 112B法，设计时必须考虑到电动机温升对效率的影响，尽量做到温升与风量的合理匹配，使定、转子损耗与机械损耗的关系达到最佳，而单纯采用降低机械损耗的方法不一定能提高电动机的效率。从电动机设计角度来说，对于小功率的电动机，由于温升较低，可以采用低的电阻基准温度进行计算，贴近试验值，对于大功率电动机，则必须控制电动机温升不能太高，否则会导致效率大幅下降。

4 结语

随着IEC 60034-30:2008标准的实施，国内的标准转化工作也已开始，为适应新标准和产品出口的需要，电动机生产企业对高效率电动机的研制工作也在加紧进行。试验方法的改变，对电动机效率的影响很大，也影响电动机的设计思路，随着高效率电动机的研制和生产，IEEE 112B法的使用会更加广泛，这要求电动机的制造厂对设计与制造环节要求更高，通过采用技术和工艺制造手段降低杂散损耗、选择合适的温升、合理的匹配电动机的风路结构，通过多种措施的实施，生产出性价比较高的高效率电动机。

［1］IEC 60034-30:2008，单速，三相笼型感应电动机的能效分级(IE代码)［S］.2008.

［2］IEC 60034-2-1:2007，Standard methods for determining losses and efficiency from tests(excluding machines for traction vehicles)［S］.2007.

［3］陈世坤.电机设计［M］.2版，北京:机械工业出版社，1997.

［4］秦和.电动机效率测定方法的进展［J］.中小型电机，2004，31(1):65-74.

［5］张凤，顾德军，葛荣长，等.符合IEC高效(IE2)、超高效(IE3)效率等级的电动机降低损耗措施的研究［J］. 电机控制与应用，2009，36(10):19-23.