莫以為，陳建波

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004）

1 引言

再制造是利用專業(yè)的修復工藝或升級改造的技術手段，在原有廢舊機器設備的基礎上，將其再制造成具有品質(zhì)特性高于原先新品水平的一系列工程活動[1]。電機的再制造被定義為通過重新設計以及替換部分失效或超過服役周期以及影響能量轉(zhuǎn)換效率的零部件的方法與手段，針對廢舊低效電機進行升級的再制造，使得再制造電機成為具有功率相同或功率不相同的高效率等級電機，或者能夠匹配于某些特殊場合或特殊工況條件下的系統(tǒng)低能耗電機[2]。2014年，工信部公布了高耗能落后機電設備（產(chǎn)品）淘汰目錄，其中包含Y、YB系列等電機300余項，大批量淘汰的舊電機可以作為再制造毛坯開展升級再制造工程[3]。因此實施低效廢舊電機的再制造工程對推進節(jié)能減排工作、資源回收再利用意義重大。以一臺Y系列電機為再制造研究對象，基本參數(shù)，如表1所示。為了減少再制造成本，留用轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、機殼和軸承端蓋等部件，對定子鐵心改用低鐵損耗的無取向冷軋硅鋼片進行了替換，并對定子槽型進行了優(yōu)化，定子繞組重新再設計，最終使其效率達到規(guī)定的能效等級，其他性能指標也能滿足工作使用要求，為電機的再制造提供了參考設計方案。

表1 電機參數(shù)Tab.1 Parameters of Motor

2 電機模型建立及其損耗分析

為了節(jié)約計算機資源和計算時間成本，利用有限元數(shù)值分析（FEA）軟件建立了二分之一電機模型。建立的原電機有限元分析模型，如圖1所示。電機在正常工作過程中會產(chǎn)生一定的損耗，從而影響了能量的轉(zhuǎn)化效率，電機效率的高低取決于功率損耗的多少，要使電機的機電能量轉(zhuǎn)化效率得到提高，就要降低電機運行中產(chǎn)生的各項損耗。所研究的電機中各項損耗所占的百分比例值分別為，定子銅耗32.1%，轉(zhuǎn)子鋁耗21%，定子鐵心損耗18.8%，機械損耗11.9%，雜散損耗16.2%。由于在進行再制造時保留了電機的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子鋁耗的減小幅度會有所限制，因此要提升電機的工作效率，就必須在再設計階段減低電機定子部分的鐵耗、繞組的電氣損耗，附加損耗以及從制造工藝方面減小機械損耗入手。

圖 1電機有限元分析模型Fig.1 Finite Element Analysis Model of Motor

3 電機再制造方案的設計

3.1 定子鐵心的替換

鐵心損耗是通過磁滯、渦流損耗構(gòu)成[4]，由于這部分損耗將會轉(zhuǎn)化為鐵心的熱能，致使電機整體的溫升增大，運行效率降低，因此應在再制造設計階段要盡可能的減小電機的鐵心損耗。當在額定工況下運轉(zhuǎn)時，由于感應電機轉(zhuǎn)子部分中磁通在單位時間中的變化率比較緩慢，從而引起轉(zhuǎn)子的鐵損耗數(shù)值相對微弱，因而可以不予考慮計入。硅鋼片材料能夠作為電機實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的關鍵材料，一般可以選用電磁性能優(yōu)良的硅鋼材料，其具有鐵損值較小的特性，使得電機鐵心損耗能夠得到有效降低。其中基本鐵耗的數(shù)學計算公式如下[4]：

式中：GFe—變化磁場作用的硅鋼質(zhì)量；Ka—經(jīng)驗系數(shù)；Phe—硅鋼材料的損耗系數(shù)，通常按下式計算：

式中：P15/50—當B=1.5T，f=50赫茲時，每公斤硅鋼質(zhì)量中所產(chǎn)生的功率損耗，其數(shù)值通?？梢愿鶕?jù)硅鋼片的牌號在材料手冊中即可查得。通過上述的表達式分析可以看出，在頻率不變的前提下，基本鐵耗的大小，取決于鋼片的鐵損值等重要指標，薄厚以及磁密等。另外，鐵心的疊壓制造技術水準和加工方式對其也有不可忽略的影響[4]。

將原舊電機定子鐵心DR510-50硅鋼替換為具有優(yōu)質(zhì)電磁性能的冷軋硅鋼50WW270，并且保持與原鐵心幾何尺寸和結(jié)構(gòu)相同[5]。兩種不同鐵心材料的性能比較，其中電磁性能可以通過磁感以及鐵損等參數(shù)值來表征，如表2所示。對比表2中所給兩種材料具體的性能參數(shù)值，與此同時結(jié)合對圖2所示的兩種硅鋼材料的損耗曲線進行分析，可以看出與原電機的硅鋼DR510-50的鐵損值相比較，新硅鋼50WW270的鐵損值等其他參數(shù)具有突出的性能優(yōu)勢，通過上述的數(shù)學表達式（1）可知，定子鐵心的損耗將會有顯著的下降，從而使得電機的運行效率得到明顯提升，同時也會降低由功率損耗所引起的熱量，電機運行的可靠性也得到進一步增強。

表2 兩種硅鋼材料的性能比較Tab.2 Performance Comparison of Two Kinds of Silicon Steel Material

圖2 損耗曲線對比Fig.2 Comparison of Loss Curves

磁化曲線對比，如圖3所示。通過對圖3中所展示的磁化曲線分析可得，由于原舊電機鐵心硅鋼的磁導率屬性顯著的小于新電工鋼50WW270的數(shù)值，也就表明了在產(chǎn)生大小相同的感應電動勢的條件下，新硅鋼片電機比原電機所需的激磁繞組電流能夠明顯的減小[6]，可以直接有效的降低定子繞組產(chǎn)生的損耗，進而也就實現(xiàn)了對電機能量轉(zhuǎn)化效率的提升。

圖3 磁化曲線對比Fig.3 Comparison of Magnetization Curves

電機損耗的計算值，如表3所示。由表3中可知，原電機定子鐵心被替換后，定子鐵心的損耗和定子繞組的焦耳損耗均所有下降，其中鐵耗的降低幅度較為顯著，同時鐵耗顯著下降原因的理論分析也得到了驗證。此外，可以根據(jù)實際設計需求，為了更進一步的提升再制造電機能效，可以采用牌號更高的優(yōu)質(zhì)硅鋼材料制造鐵心。

表3 電機損耗計算值的對比Tab.3 Comparison of Calculated Values of Motor Losses

3.2 定子繞組的設計

繞組其實相當于電機的心臟，這就意味著繞組對電機的性能具有至關重要的作用，對原電機進行再制造時可設計低諧波繞組。低諧波繞組指的是諧波含量和成份非常低的一種繞組，通過對各定子槽線圈匝數(shù)進行合理的調(diào)配處理，使得定子磁勢沿圓周方向表現(xiàn)為正弦分布，可以將有害諧波含量最大程度地被削弱，能夠降低附加損耗，使得鐵心和繞組中由損耗引起的熱量有所降低，因而提高了電機的效率，同時改善了其他的性能指標[7]。通過設計低諧波繞組來替代原電機的繞組，并適當提高了線徑，以此來降低損耗、提升效率，實現(xiàn)了對舊電機能效提升的再設計[5，8]。

為了重新再設計原電機的定子鐵心繞組，根據(jù)相關文獻中給出的低諧波繞組的設計理論，然后通過對繞組的形式，線圈匝數(shù)以及線規(guī)進行合理調(diào)整，而對電機的其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不進行改變?；趨⒖嘉墨I[7]中所展現(xiàn)的理論與設計方法，即N1：N2：N3=1.27：1.879：1，可作為電機的每極每相各線圈最佳的匝數(shù)分配比，考慮到實際的再設計要求，最后分別將13、20和6確定為新繞組電機的線圈匝數(shù)。原電機的繞組系數(shù)計算式可表示為：

式中：β—節(jié)距比；q—每極每相槽數(shù)；α—鄰槽電角度；β—節(jié)距比；ν—諧波次數(shù)。

低諧波繞組電機的繞組系數(shù)計算式[7]為：

式中：Nn—不同線圈匝數(shù)；βn—不同線圈節(jié)距比。

經(jīng)過以上分析與計算，再設計前后不同電機不同次諧波的繞組系數(shù)，如表4所示。分析表4中的數(shù)據(jù)可知，盡管低諧波繞組的基波系數(shù)相比較于原電機略微有些減小，然而可以清楚地看出其余的各次諧波繞組系數(shù)的降幅相對明顯，也就意味著由諧波磁場引起的電機附加損耗會被降低，轉(zhuǎn)子部分中由諧波引起的功率損耗也會被減弱。此外，與原繞組跨距相對比，低諧波繞組具一定優(yōu)勢，其平均跨距小，而且具有較為緊湊的繞組端部[7]，意味著繞組損耗也會降低。因此電機的機能轉(zhuǎn)化效率也會相應提高。

表4 不同類型的繞組系數(shù)Tab.4 Different Types of Winding Coefficient

3.3 定子槽型的優(yōu)化

為了進一步提高電機的效率，對定子槽型尺寸進行優(yōu)化[9-10]。定子槽型尺寸的改變會影響電機的鐵損耗和雜散損耗，設計合理的槽型尺寸不但可以降低加工工藝的難度，同時增進電機效率和功率因數(shù)[10]。田口方法（TaguchiMethods）是一種局部優(yōu)化的算法，具有實驗次數(shù)少，快速簡捷，實驗成本低的等優(yōu)點。在進行多目標優(yōu)化設計問題時，利用建立的正交實驗表安排實驗條件和方法，能夠很快的明確出最佳或最優(yōu)的設計參數(shù)組合[11]。為了分析在不同定子槽型參數(shù)組合條件下對電機效率的影響情況，構(gòu)建實驗了正交表（OrthogonalArray），通過對槽型的各個參數(shù)開展了Taguchi實驗設計，確定了實驗中的參數(shù)變量，其中，BS1—槽的寬度；HS1—槽斜肩的高度；BS2—槽底的直徑 ；HS0—槽口的高度；HS2—槽的高度；BS0—槽口的寬度。建立了L25（56）正交表，其中，25表示總的實驗次數(shù)，5表示水平數(shù)，6表示因子的個數(shù)，每種因素分別取5個水平，其取值范圍應該要適宜于實際的加工工藝水準，各個因素和所選取水平，如表5所示。其中，各個因素的正交實驗的配置以及實驗的計算結(jié)果，如表6所示。

表5 因子的水平表Tab.5 Factor Level Table

表6 正交試驗與實驗結(jié)果Tab.6 Orthogonal Test and Experimental Results

方差是描述數(shù)據(jù)與其數(shù)學期望之間的差異或分散程度的量，通過進行方差分析可以得出各參數(shù)變量的改變對該優(yōu)化目標結(jié)果的影響情況，方差分析中的離差平方和的計算表達式如下：

式中：m—各因子；l—各因子水平數(shù)；Yi—第i次實驗結(jié)果值；n—試驗的次數(shù)；Kj（m）—m在j水平上實驗值的總和；Sm—m因子的實驗指標的離差平方和。

經(jīng)上述計算與分析結(jié)果，如表7所示。由于方差的分析能夠為設計變量的選擇提供了方向，為了緩解對計算資源的占用，通過減少設計變量，降低工作量，因此可以參考將定子槽型的優(yōu)化設計變量確定為槽口寬度BS0、槽寬BS1、槽高HS2、槽底直徑BS2等這個4個因素。

表7 各參數(shù)對目標值的影響及方差Tab.7 Effects of Parameters on Target Values and Variance

經(jīng)過優(yōu)化之后，得到了電機槽形最終優(yōu)化方案的各參數(shù)值，BS0為3.1mm，BS1為 6.8mm，HS2為13.9mm，BS2為 10.1mm。相比于優(yōu)化前，優(yōu)化后電機的效率提高了0.17%。為此按照上述設計方案對電機進行改造后，經(jīng)計算得到了電機主要性能，如表8所示?？梢钥闯?，經(jīng)此方案改造后的再制造電機，效率提高了2.04%，提升至91.04%，達到了國家規(guī)定的能效3級標準，電機的其他力能指標也相應有了改善。對再制造電機進行了有限元數(shù)值分析后，如圖4所示。表示的是其在穩(wěn)態(tài)條件下的磁通密度云圖。

表8 電機性能對比Tab.8 Contrast of Motor Performance

圖4 再制造電機的磁密云圖Fig.4 Magnetic Cloud Map of the Remanu Facturing Motor

4 結(jié)語

用結(jié)構(gòu)相同的新硅鋼鐵心替換原電機定子鐵心后，顯著地降低了定子鐵耗，因此在節(jié)能方面將此類優(yōu)質(zhì)硅鋼材料應用于電機的再制造具有很大的優(yōu)勢。通過對繞組的再設計，實現(xiàn)了對各次諧波繞組系數(shù)的減小，有效削弱了諧波磁場產(chǎn)生的能量，從而降低了雜散損耗。依照此設計方案，最終使得再制造電機的效率提高至91.04%，符合了GB18613-2012標準中能效等級3級的規(guī)定，且其他性能也有相應的改善，同時能夠滿足正常工作的使用要求。