顧德軍， 陳偉華， 張 維， 王鴻鵠

(上海電科電機(jī)科技有限公司，上海 200063)

0 引言

在電機(jī)設(shè)計(jì)中，雜散損耗的設(shè)計(jì)系數(shù)是假定值，這個(gè)假定值與電機(jī)的測(cè)試值是接近的，不能有太大的偏差，否則會(huì)造成設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)偏離測(cè)試值，影響設(shè)計(jì)質(zhì)量。電機(jī)測(cè)試方法不同，設(shè)計(jì)中雜散損耗的設(shè)計(jì)系數(shù)也不同。以下是我國(guó)電機(jī)設(shè)計(jì)中雜散損耗的設(shè)計(jì)系數(shù)選取的幾種方法。

對(duì)于早期的Y系列電機(jī)，試驗(yàn)方法采用反轉(zhuǎn)法實(shí)測(cè)雜散損耗，設(shè)計(jì)中給定的系數(shù)為雜散損耗與輸出功率比值:2極為2.5%，4極為2%，6極為1.5%。由于反轉(zhuǎn)法為高不確定度的雜散損耗測(cè)試方法，目前在主系列電機(jī)中已不采用該方法。

現(xiàn)行的Y系列、Y2系列、Y3系列、YX3系列電機(jī)采用按輸入功率0.5%估算雜散損耗的測(cè)試方法，雜散損耗的設(shè)計(jì)系數(shù)可直接按輸入功率比值0.5%進(jìn)行計(jì)算。采用按輸入功率0.5%估算雜散損耗的測(cè)試方法，掩蓋了不同廠家電機(jī)設(shè)計(jì)與制造質(zhì)量的差異，IEC60034-2-1(2007版)中已取消了該方法。

IEC60034-30標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:效率的測(cè)試方法要參照IEC60034-2-1(2007版)，對(duì)于IE2及以上等級(jí)效率指標(biāo)的電機(jī)，必須采用低不確定度的測(cè)試方法，即美國(guó)的IEEE112B法。中國(guó)現(xiàn)行電機(jī)產(chǎn)品的性能測(cè)試方法中，其雜散損耗采用0.5%估算或反轉(zhuǎn)法測(cè)量，這兩種方法現(xiàn)已定為高不確定度的試驗(yàn)方法，不符合IEC規(guī)定的超超高效電動(dòng)機(jī)的效率測(cè)試方法要求。國(guó)內(nèi)電機(jī)設(shè)計(jì)中雜散損耗作為已知輸入?yún)?shù)，是建立在已被IEC淘汰的兩種高不確定度測(cè)試方法(反轉(zhuǎn)法和按輸入功率0.5%估算雜散損耗)基礎(chǔ)上的，已不適應(yīng)新的測(cè)試方法，需要重新確定。

由于超高效率電機(jī)采用新的效率測(cè)試方法，與原來(lái)的效率測(cè)試方法有了很大的區(qū)別，雜散損耗的設(shè)計(jì)系數(shù)需要重新選取。對(duì)于IEEE112B法實(shí)測(cè)電機(jī)的雜散損耗的試驗(yàn)方法對(duì)設(shè)計(jì)的影響，在這方面沒有太多的經(jīng)驗(yàn)，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)雜散損耗分布的規(guī)律，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 附加損耗的產(chǎn)生原理及分類

三相異步電動(dòng)機(jī)的附加損耗主要由下列各部分損耗組成:

(1)由定子繞組槽漏磁所產(chǎn)生的附加損耗。當(dāng)定子繞組中通交流電流時(shí)，由于擠流效應(yīng)的作用，使定子繞組電阻比直流電阻增大，從而使I2R損耗增大。在損耗分析法中，計(jì)算定子繞組I2R損耗時(shí)是按直流電阻計(jì)算的，因此這部分損耗的增大值計(jì)入在附加損耗中。

(2)由定子繞組端部漏抗所產(chǎn)生的附加損耗。指當(dāng)定子繞組中通電流時(shí)，由繞組端部漏磁通在鐵心表面、端蓋及風(fēng)扇等各結(jié)構(gòu)部件中所產(chǎn)生的磁滯和渦流損耗。

(3)由氣隙諧波磁通在定轉(zhuǎn)子鐵心及轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中所造成的附加損耗，這部分損耗可分為下列三種:

①表面損耗:當(dāng)諧波磁場(chǎng)對(duì)鐵心表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就在鐵心鋼片的表面層附近產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗，故稱為表面損耗，其中主要是渦流損耗。

②齒部脈振損耗:在異步電機(jī)中，當(dāng)氣隙諧波磁場(chǎng)與相對(duì)部分的齒部發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，齒部磁密的大小要發(fā)生周期性的脈動(dòng)。如圖1所示，圖1(a)表示當(dāng)轉(zhuǎn)子齒中心線與定子諧波磁場(chǎng)的最大值重合時(shí)的情況;圖1(b)表示轉(zhuǎn)子齒中心線與定子諧波磁場(chǎng)的零點(diǎn)重合時(shí)的情況，在前一種情況下，進(jìn)入齒體中的磁通為最大;在后一種情況下，進(jìn)入齒體中的磁通為零。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒與定子諧波磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子齒體中的磁通就在此最大值與零之間脈動(dòng)，因而產(chǎn)生渦流及磁滯損耗，稱為齒部脈振損耗。同理，轉(zhuǎn)子諧波磁通在轉(zhuǎn)子齒體中產(chǎn)生齒部脈振損耗。

圖1 齒部脈振損耗

③諧波電流損耗:在籠型電機(jī)中，定子諧波磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出諧波電流，因此產(chǎn)生諧波電流I2R損耗。諧波電流損耗很難通過試驗(yàn)測(cè)得。

空載附加損耗中，包括由定子繞組中空載電流所產(chǎn)生的槽漏磁及端部漏磁所造成的附加損耗，以及由磁導(dǎo)諧波磁通和空載電流所產(chǎn)生的磁勢(shì)諧波磁通所造成的附加損耗。

負(fù)載附加損耗中，包括由定子繞組及轉(zhuǎn)子繞組中負(fù)載電流部分所產(chǎn)生的槽漏磁、端部漏磁和氣隙諧波磁通所造成的附加損耗。

雜散損耗一般都很難準(zhǔn)確地計(jì)算，一般設(shè)計(jì)時(shí)，都是考慮根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)給一個(gè)假定值。雜散損耗設(shè)計(jì)系數(shù)是電磁設(shè)計(jì)中一項(xiàng)十分重要的參數(shù)，必須對(duì)原型樣機(jī)用選擇確定的新測(cè)試方法反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證后確定準(zhǔn)確的雜散損耗設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 實(shí)測(cè)雜散損耗測(cè)試方法

IEEE 112B法是通過測(cè)出電機(jī)的輸入和輸出功率以及定子銅耗、轉(zhuǎn)子鋁(銅)耗、鐵耗、機(jī)械耗，輸入功率減輸出功率得出電機(jī)的總損耗ΣP，再以總損耗ΣP減各項(xiàng)已知的損耗，就得出電機(jī)的雜散損耗。通過對(duì)不同負(fù)載點(diǎn)下測(cè)得的雜散損耗值進(jìn)行線性回歸分析，得出線性回歸方程，可以求得電機(jī)額定負(fù)載點(diǎn)的雜散損耗。從測(cè)量電機(jī)雜散損耗的基本原理上講，IEEE112B法沒有作任何理論上的假定和測(cè)定中模擬，用此法測(cè)出的是電機(jī)真正的各項(xiàng)附加損耗的總和。IEEE112B法對(duì)測(cè)量?jī)x表的精度要求較高，同時(shí)對(duì)測(cè)量的技術(shù)和實(shí)際操作過程中的技巧要求較高。

IEC 60034-2-1與IEEE112B實(shí)測(cè)雜散損耗方法基本一致，首先采用從總損耗中減去傳統(tǒng)損耗得出剩余損耗，然后做出不同負(fù)載下轉(zhuǎn)矩和剩余損耗線性回歸曲線而得出雜散損耗。二者差別在于雜損耗曲線擬合的相關(guān)系數(shù)上，IEEE 112給出的相關(guān)系數(shù)是0.9，而 IEC給出的相關(guān)系數(shù)是0.95。

兩種方法雖然都給出了用直接法確定雜散損耗的推薦值，都不符合超高效率電機(jī)的試驗(yàn)要求，但對(duì)設(shè)計(jì)超高效電機(jī)初期階段可以作為參考。兩種標(biāo)準(zhǔn)給出的雜散損耗推薦值均為輸入或者輸出功率的函數(shù)，IEC 60034-2-1給出的推薦是輸入功率的函數(shù)，其推薦值可按式(1)～式(3)來(lái)計(jì)算;而IEEE 112給出的推薦值為輸出功率的函數(shù)，其推薦值如表1所示。將式(1)～式(3)和表1做成圖2所示的兩種標(biāo)準(zhǔn)方法給出的雜散損耗推薦值曲線圖。

式中:PLL——雜散損耗值;

P1——輸入功率;

P2——輸出功率。

表1 IEEE 112雜散損耗推薦值

圖2 雜散損耗推薦值

從圖2可看出:IEC給出的每個(gè)功率等級(jí)都有一個(gè)推薦值，且隨功率等級(jí)呈線性下降;而IEEE112B是根據(jù)某個(gè)功率段給定推薦值，對(duì)于開發(fā)的超高效電機(jī)使用范圍為0.75～375 kW，僅有兩個(gè)推薦值，即90 kW以下為1.8%，90 kW以上為 1.5%。

3 確定參數(shù)帶

3.1 確定原則及現(xiàn)有電機(jī)測(cè)試分析

首先，重點(diǎn)研究電機(jī)雜散損耗和效率測(cè)試的不確定度評(píng)價(jià)技術(shù)，研究低不確定度雜散損耗和效率的測(cè)試技術(shù)和自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)現(xiàn)有電機(jī)進(jìn)行大量的測(cè)試，初步根據(jù)IEEE 112B推薦的不同功率和極數(shù)電機(jī)的雜散損耗變化趨勢(shì)，采用最小二乘法擬合出雜散損耗隨功率變化曲線，作為超高效電機(jī)設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù)。在樣機(jī)試制后，再用這套測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證輸入雜散損耗的合理性。驗(yàn)證后，再將得出的雜散損耗數(shù)值作為電機(jī)設(shè)計(jì)新的輸入值，進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)。如此循環(huán)多次，最終得出較為精確的雜散損耗設(shè)計(jì)輸入值。由于在這方面沒有太多的經(jīng)驗(yàn)，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)雜散損耗分布的規(guī)律，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。如圖3所示。

為此，測(cè)試整理了53臺(tái)50 Hz電機(jī)采用IEEE112B法實(shí)測(cè)雜散損耗的數(shù)據(jù)。不同功率等級(jí)電動(dòng)機(jī)雜散損耗與額定功率的比值如圖4所示。

通過圖4可看出，按IEEE112B法實(shí)測(cè)電機(jī)雜散損耗與額定功率的比值隨著功率的增大逐漸減小，這與IEC推薦值的趨勢(shì)相同。上述測(cè)試數(shù)據(jù)中，部分規(guī)格雜散損耗的比例偏高，這主要是由于我國(guó)現(xiàn)行的Y、Y2、Y3、YX3等系列電機(jī)采用按輸入功率0.5%估算雜散損耗的測(cè)試方法，廠家對(duì)實(shí)際雜散損耗的控制沒有重視，導(dǎo)致電機(jī)的雜散損耗值偏高。根據(jù)對(duì)以上測(cè)試數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合IEC推薦值，初步確定了雜散損耗的設(shè)計(jì)輸入值進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)。

圖3 合理確定雜散損耗范圍技術(shù)路線

圖4 電機(jī)雜散損耗與額定功率的比值

3.2 最小二乘雜散損耗測(cè)試數(shù)據(jù)曲線擬合分析

在前期初始給定雜散損耗值下，試制了256臺(tái)頻率為50 Hz的電機(jī)。由于試驗(yàn)儀器以及人為的誤差，測(cè)試結(jié)果不可避免的出現(xiàn)噪點(diǎn)，對(duì)雜散損耗的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了最小二乘法曲線擬合分析。

根據(jù)IEC推薦值公式，假定要逼近的函數(shù)為

式中:y——雜散損耗按輸入功率折算系數(shù);

x——額定輸入功率;

a0、a1——假定系數(shù)。

由于上面指數(shù)曲線為非線性，假定 x'=log10x，得到式(5):

將xi代入式(5)，可以得到相應(yīng)的值。但是，按照式(5)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)yi不一定相同，而可能存在一定的誤差 δi，即

最小二乘法就是使式(7)最小:

根據(jù)多元函數(shù)求極值的定理，系數(shù)a0、a1應(yīng)滿足以下聯(lián)立的方程:可以得到:

解此聯(lián)立方程，得出待定系數(shù)a0、a1，由于樣機(jī)數(shù)量大，計(jì)算量巨大。采用MATLAB解此矩陣方程，求出了雜散損耗系數(shù)與輸出功率的擬合直線，將此實(shí)測(cè)擬合曲線與IEC、IEEE推薦值做同一張圖，便于分析比較。如圖4所示。

圖5 實(shí)測(cè)雜散損耗擬合曲線

通過圖5可看出，實(shí)測(cè)電機(jī)雜散損耗與輸入功率的比值擬合曲線隨著功率的增大線性減小，這與IEC60034-2-1中推薦值的趨勢(shì)是一致的?？傮w而言，在 0.75～315 kW 功率范圍段，按IEEE112B法實(shí)測(cè)電機(jī)雜散損耗值比IEC推薦值低，且實(shí)測(cè)擬合曲線斜率小于IEC推薦值曲線。IEC可能考慮到電機(jī)的附加損耗與電磁設(shè)計(jì)和加工工藝有很大關(guān)系，不同設(shè)計(jì)、不同工藝的同一規(guī)格電機(jī)的附加損耗可能有很大差別，所給的推薦值有一定余量。采用IEC推薦值法方便，但會(huì)犧牲部分效率。因此，采用IEC推薦值進(jìn)行系列設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)有效材料增加。

3.3 確定超高效電機(jī)設(shè)計(jì)輸入雜散損耗參數(shù)帶

對(duì)典型樣機(jī)采用IEEE112B法實(shí)測(cè)電機(jī)雜散損耗，測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比，確定輸入雜散損耗的合理性，對(duì)不合理的雜散損耗設(shè)計(jì)參數(shù)重新調(diào)整，按圖3的技術(shù)路線重新進(jìn)行上述循環(huán)測(cè)試。以下是部分規(guī)格典型樣機(jī)進(jìn)行循環(huán)試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 部分規(guī)格樣機(jī)循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

經(jīng)大量的循環(huán)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，確定了功率范圍為0.75～375 kW電機(jī)雜散損耗參數(shù)帶，4極電機(jī)不同功率的雜散損耗推薦值、設(shè)計(jì)值、修正值和試驗(yàn)值的數(shù)據(jù)對(duì)比圖，如圖6所示。

圖6 雜散損耗給定值

從圖6可看出，經(jīng)過修正的設(shè)計(jì)輸入值比IEC推薦值和IEEE112更加接近實(shí)測(cè)值，給定的雜散損耗設(shè)計(jì)系數(shù)基本合理，可指導(dǎo)超高效電機(jī)系列設(shè)計(jì)的電磁設(shè)計(jì)工作。

4 結(jié)語(yǔ)

電磁設(shè)計(jì)中，雜散損耗的設(shè)計(jì)系數(shù)的選取是一項(xiàng)十分復(fù)雜和重要的工作，也是電機(jī)行業(yè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。IEC60034-30要求對(duì)高效及以上的電機(jī)采用低不確定度實(shí)測(cè)方法進(jìn)行測(cè)試。隨著試驗(yàn)方法的改變，對(duì)設(shè)計(jì)與制造質(zhì)量要求更高。

本文介紹了雜散損耗的產(chǎn)生原理及分類，介紹并比較了兩種實(shí)測(cè)雜散損耗方法差異，參考兩種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法雜散損耗推薦值，并結(jié)合現(xiàn)有大量樣機(jī)的測(cè)試，采用最小二乘法擬合雜散損耗系數(shù)曲線，根據(jù)擬合曲線作為雜散損耗設(shè)計(jì)輸入值，進(jìn)行樣機(jī)循環(huán)測(cè)試并修正系數(shù)。試制結(jié)果表明，確定的雜散損耗參數(shù)帶合理可行，可用來(lái)指導(dǎo)系列超高效電機(jī)電磁設(shè)計(jì)工作。但是，考慮到雜散損耗與槽配合、氣隙、定子三圓以及工廠的工藝水平關(guān)系密切，在具體設(shè)計(jì)中還需根據(jù)參數(shù)帶的數(shù)據(jù)適當(dāng)調(diào)整。

［1］IEC 60034-2-1，Rotating electrical machines-Part2-1:Standard methods for determining losses and efficiency from tests(excluding machines for traction vehicles)［S］.2007.

［2］IEEE Std 112TM—2004，Standard test procedure for polyphone induction motors and generators［S］.2004.

［3］何仁斌.MATLAB6工程計(jì)算及應(yīng)用［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2001.