笼型异步电机降耗与分析方法综述*

房建俊， 徐余法， 罗玉东， 陈亚新

(上海电机学院 电气学院，上海 200240)

笼型异步电机降耗与分析方法综述*

房建俊， 徐余法， 罗玉东， 陈亚新

(上海电机学院 电气学院，上海 200240)

笼型异步电机广泛应用于工业、农业及日常生活等领域，降低其损耗对于实现电机行业的节能降耗具有重要意义。介绍了造成笼型异步电机各部分杂散损耗的原因，指出杂散损耗是目前的分析难点。针对计及杂散损耗的定转子铜耗和铁心损耗的分析与计算方法进行了总结归纳。对于降耗方法，从结构设计和材料选取两个方面进行总结叙述，分析新型降耗方法的可行性。最后，展望笼型异步电机的损耗分析方法与降耗方法未来的研究重点和发展方向。

笼型异步电机； 杂散损耗； 损耗分析与计算； 铜耗； 铁心损耗； 降耗方法

0 引 言

在能源日益匮乏的今天，节能降耗已经成为各个行业的发展趋势[1-2]。电机作为用电量最大的耗电机械，实现电机行业的节能降耗尤为重要[3-4]。我国于2012年出台了GB18613—2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》标准，并在“十二五”规划中积极实施，推进电机行业的节能降耗。目前，我国高效异步电机的市场占有率仅为12%，而以美国为代表的主要发达国家已经超过50%[5]。异步电机主要有绕线式和笼式两种类型，其中笼式具有结构简单、价格便宜、运行可靠、便于维护等优点[6]，被广泛应用于冶金、石化、化工、煤炭、建材、公用设施等多个行业和领域[7-9]。因此，降低笼型异步电机的损耗，成为了国内外电机领域的一个研究热点。

笼型异步电机的设计、分析与降耗方法虽然遵循基本的电磁原理，但为进一步降低其损耗，需要对损耗原因、分析与计算方法、降耗方法等问题深入研究，并加以解决。 本文首先介绍了笼型异步电机损耗原因的分析难点，然后对损耗分析模型与计算方法、降耗方法的国内外研究现状进行了归纳和总结，分析了关键技术，最后讨论了未来笼型异步电机降耗方法的主要发展方向。

1 损耗原因及关系

笼型异步电机在进行功率转化的过程中，产生五部分损耗，如图1所示。其中，风摩损耗是指电机转动过程中，转子外表面、散热风扇克服空气阻力以及轴承摩擦产生的损耗，属于机械损耗[10]；定子铜耗、铁心损耗、转子铜耗和杂散损耗可统称为电磁损耗[11]，是损耗方面的研究重点。

对于基本的定子铜耗、铁心损耗和转子铜耗，其产生原因较为明确，已得到国内外电机领域学者的一致认可，在此将不再叙述。对于杂散损耗，其产生原因较为复杂，影响因素繁多，且广泛分布在定子铜耗、铁心损耗和转子铜耗中，是目前的研究难点。

图1 笼型异步电机功率流程图

杂散损耗可分为杂散定子铜损耗、杂散铁心损耗和杂散转子铜损耗，各部分产生机理不同，分别叙述如下：

(1) 杂散定子铜损耗是指由于铁心饱和、非正弦供电等原因在定子绕组中产生谐波电流所引起的损耗。此外，定子绕组中存在的循环电流也会产生部分杂散定子铜损耗[12]。

(2) 杂散铁心损耗包括表面损耗和脉振损耗。前者是指气隙谐波磁通相对于齿或磁极铁心表面移动所引起的损耗，后者是指齿中谐波磁通相对齿移动所引起的损耗[13-14]。

(3) 杂散转子铜损耗是指谐波磁场在转子导条中感应出的谐波电流所引起的损耗。如果转子采用斜槽式，转子导条与端环短路产生的横向电流也会引起部分杂散转子铜损耗[15]。

通过以上叙述可知，由于杂散损耗的存在，不仅使得影响笼型异步电机损耗的因素增多，而且使得各个影响因素之间的关系变得复杂，因此需要进一步从微观角度研究杂散损耗因素，才能满足进一步降低笼型异步电机损耗的要求。

2 损耗分析与计算方法

对于笼型异步电机损耗的分析与计算方法，难点在于是否能够计及多种非线性及复杂结构影响因素，准确分析不同损耗因素对损耗的具体影响程度，然后对结构参数进行优化设计，合理选择材料，达到降低损耗的目的。传统的基于磁路分析的损耗计算方法，由于对解析模型进行简化，忽略杂散损耗，使得其计算结果不够精确[16]。随着计算机技术的发展，通过建立基于磁场分析的有限元(Finite Element Method, FEM)损耗分析模型，能够计及杂散损耗，使得定子铜耗、铁心损耗和转子铜耗的计算结果更加精确[17]。因此，如何准确建立损耗分析模型，是损耗分析与计算的重点。其中，风摩损耗通过建立流体场模型进行分析计算[18-19]。下面将对考虑杂散损耗的定转子铜耗和铁心损耗的基于磁场的FEM分析与计算方法进行介绍。

2.1 定转子铜耗

使用FEM对定子绕组建模分析，能够充分考虑定子绕组中存在的高次谐波电流。对计算得到的定子电流进一步采用傅里叶分解，即可分别求得基波和谐波电流产生的损耗[20]。其计算公式如式(1)[21]所示：

(1)

式中：PSCL——定子总铜耗；Rs——定子相电阻；iνA、iνB、iνC——定子绕组各频次电流，其中ν=2k+1(k=0,1,2,3,…)表示定子绕组的谐波次数。

对于转子铜耗，由于高频谐波电流引起的集肤效应使得转子导条中的电流分布不均匀，集中在导条表层。为此，采用把转子导条划分为单元网格分别计算其单元网格铜耗再进行求和。其计算式如式(2)[22]所示：

(2)

式中：PRCL——转子总铜耗；δ——转子导条电导率；Lef——转子导条有效长度；SΔ——转子导条单元面积；JΔv——转子导条各单元内基波和高次谐波电流密度的有效值，其中ν=2k+1(k=1,2,3,…)表示谐波次数，基波频率为sf1(s为转差率，f1为定子频率)。

以上定转子铜耗的分析与计算方法能够计及电机内部存在的杂散定转子铜损耗，但是计算过程繁琐，而且无法就单个损耗因素对杂散定转子铜损耗的影响进行准确分析与计算。因此，简化计算过程，准确分析单个损耗因素的影响，是未来定转子铜耗分析与计算的发展方向。

2.2 铁心损耗

对于铁心损耗FEM分析与计算模型，目前比较经典的是意大利学者Bertotti于1988年提出的基于磁滞损耗、涡流损耗及异常损耗的常系数三项式模型。其表达式[23]如式(3)所示：

PFe=Ph+Pe+Pa=

(3)

式中：PFe——铁耗密度；Ph、Pe、Pa——磁滞损耗、涡流损耗、异常损耗；

kh、ke、ka——各项损耗的系数，可通过铁心损耗的测量数据直接拟合得到；

f——频率；

Bm——按正弦交变的磁通密度幅值。

常系数三项式模型未计及实际电机工作当中的非正弦波形，使其计算结果不够精确。文献[24]和文献[25]分别提出了考虑非正弦波形的磁滞损耗模型和涡流损耗模型，但这两种模型都未考虑旋转磁化所引起的损耗。文献[26]借助二维磁场测试仪拟合曲线得到损耗系数，建立旋转磁化损耗模型。文献[27]采用两个相互正交的交变磁化等效旋转磁化，建立正交分解模型，但损耗系数的求解过程较为繁琐。文献[28]对不同频率下铁心损耗的损耗系数变化规律进行了系统研究，提出了一种损耗系数随磁密和频率变化的变系数铁心损耗计算模型，简化了计算过程。文献[29]提出了考虑旋转磁化和趋肤效应的变系数正交分解铁心损耗计算模型，提高了计算精度。

随着研究的深入，铁心损耗的分析模型不断得到完善，尤其是变系数铁心损耗模型，使损耗系数随磁通密度和频率变化，充分考虑高次谐波、集肤效应、旋转磁化等对损耗造成的影响，提高计算精度，并且损耗系数可通过最小二乘法根据铁心实测损耗值拟合得到，省去损耗系数的繁琐计算过程，已成为未来铁心损耗分析与计算的发展方向。

3 降耗方法

降低笼型异步电机的损耗，通常采用较大截面积的铜导线、增加铁心长度、选用牌号更高的硅钢片、改变轴承及润滑等[30]。随着损耗分析的深入、新型材料的出现以及工艺水平的进步，新的降耗方法不断被提出。下面将从结构设计和材料选取两个方面进行介绍。

3.1 结构设计

对笼型异步电机结构参数进行优化设计，是降低其损耗的基本方法。由于影响其损耗的因素较多，包括定子槽形、绕组形式、转子槽形、转子斜槽、槽配合、风路结构等[31]，并且这些因素之间相互影响，使得在进行优化结构设计时，需要考虑多个因素之间的相互影响。

在定子槽形方面，笼型异步电机通常采用半闭口梨形槽，如图2所示。定子槽形尺寸的选择，对电机各部分损耗有不同的影响。文献[32] 利用时步有限元法分析了图2所示的6个槽形尺寸对损耗的影响程度，结果证明其中槽口宽度Bs0、槽宽Bs1和槽底半径Rs对损耗影响较大，并以槽型面积、槽漏抗、齿部机械强度等为约束条件，选择以上三个最优槽型尺寸以降低损耗，为通过定子槽形优化降低笼型异步电机的损耗提供了技术支持。

图2 定子梨形槽基本尺寸

在定子绕组方面，笼型异步电机通常采用双层绕组，降低谐波损耗。文献[33]提出了一种单双层混合分数槽绕组，在提高槽利用率的同时，进一步降低了谐波损耗。文献[34]将槽满率作为约束条件，以高次谐波分量最小作为目标函数，采用不等匝下线的方法对定子绕组进行优化设计，达到了进一步降低谐波损耗的目的。

在转子方面，笼型异步电机通常采用转子斜槽的闭口槽以降低损耗。文献[35]分析了转子斜槽度对损耗的具体影响，结果证明定转子谐波铜耗随斜槽度增加而降低，定子谐波铁耗随斜槽度先增加后减小，转子谐波铁耗随斜槽度增加而增加，为通过优化斜槽式转子降低损耗提供了理论依据。文献[36]针对转子通常采用的轴向斜槽，提出了一种采用径向斜槽的转子槽型，能够有效抑制谐波，为提高效率提供了新的思路。

在槽配合方面，笼型异步电机转子槽数应略少于定子槽数，以降低损耗。文献[37]分析了槽配合对异步电机损耗的影响，结果证明少槽配合的整体损耗要低于多槽配合，并指出在转子槽数增加时，转子齿谐波磁密切向分量增大，转子齿部表面损耗增加。这为合理选择槽配合提供了理论依据。

在风路结构方面，笼型异步电机可选择径向通风系统[38]，并且把传统的离心式风扇改为后倾式风扇，同时增大叶片宽度和叶片数量[39]，能够有效降低风摩损耗。

3.2 材料选择

笼型异步电机定子铁心和转子材料的选择不仅对损耗有较大的影响，而且对其他方面的性能也有直接影响。因此，对不同定子铁心材料和转子材料进行分析，对降低损耗具有重要意义。

3.2.1 铁心材料

笼型异步电机通常采用冷轧无取向硅钢片代替热轧无取向硅钢片来降低损耗[40]。表1给出了常用的热轧DR510-50硅钢片、冷轧50W470硅钢片以及较新的冷轧50CS470硅钢片的主要性能参数。从表2可以看出，在保持最小磁感相同的情况下，冷轧无取向硅钢片的铁心损耗更低，而随着工艺水平的进步，硅钢片的性能也在逐渐提高，为降低损耗提供了支持。

表1 三种不同类型硅钢片的主要性能

另外，在非晶材料出现后，以非晶材料作为定、转子铁心的电机[41]，运行效率能够达到95%以上，但与常规笼型异步电机相比，其成本大大增加，适用范围较小，电磁设计、加工工艺以及性能测试等方面还需进一步研究。

3.2.2 转子材料

笼型异步电机通常采用铸铝转子。为进一步降低损耗，可采用铸铜转子。文献[42]对采用铸铜转子的三相异步电机进行了分析，提出了铸铜转子的设计原则。文献[43]对采用铸铜转子和铸铝转子的笼型异步电机的损耗特性进行了对比，证明采用铸铜转子能够提高电机效率。但是，采用铸铜转子将增加成本，而且其制造工艺不成熟，使其广泛推广比较困难。另外，对于采用铸铜转子的笼型异步电机的其他性能，仍有待进一步研究。

4 结 语

通过对现有文献中的研究成果进行总结和分析可以发现，在笼型异步电机的损耗影响因素、损耗分析方法与降耗方法方面，主要存在以下几个问题：

(1) 笼型异步电机杂散损耗产生的原因较多且复杂，如何能够单独定量分析一个影响因素对杂散损耗的具体影响是目前笼型异步电动机的研究难点，需要进一步探索。

(2) 笼型异步电机损耗的损耗分析与计算模型较多，需要进一步对各个类型的损耗分析模型进行对比优化，提高模型准确性，简化计算过程。

(3) 对于新方法、新材料、新工艺在降低笼型异步电机损耗方面的应用，其可行性、成熟度、性价比及推广应用等问题还有待进一步研究。

因此，在笼型异步电机的损耗分析方法与降耗方法研究中，未来主要的发展方向就是在现有研究成果的基础上不断完善，实现对杂散损耗的定量分析与计算，以及对于新结构、新材料、新工艺在降耗方面应用的探索。与此同时，对笼型异步电机其他方面的性能做进一步研究，使其应用在更多领域中。此外，也能够对其他种类电机的降耗方法有一定的启示。

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Review on Energy Saving and Analysis Technologies of Squirrel Cage Induction Motor*

FANGJianjun,XUYufa,LUOYudong,CHENYaxin

(Electrical Engineering School, Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China)

Squirrel cage induction motors were widely used in industry, agriculture and daily life, and so on. Reducing the loss had great significance for the motor industry. Enumerates various factors of the stray loss, and points out that analysis of stray loss was difficulty now. Then the analysis and calculation method of the copper loss and iron loss of stray loss were summarized. For reducing loss methods, structure design and material selection were summarized, and the feasibility of the new methods were analyzed. Finally, research focus and development trends of the loss about the squirrel cage induction motor were prospected.

squirrel cage induction motor; stray loss; loss analysis and calculation; copper loss; iron loss; method of energy saving

上海市自然科学基金项目(11ZR1413900)；上海市教委重点科研项目(09ZZ211)；上海市经济与信息化委员会项目(13X1-37)

房建俊(1991—)，男，硕士研究生，研究方向为电机系统能耗及高效电机。

TM 343

A

1673-6540(2016)07-0057-06

2015-11-13