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铜价暴涨时代 浅谈铜对电动机能效提升作用

学术研究2021.05.10
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铜具有特别优异的导电性能,这也是铜在电能供应及使用领域中大量应用的原因。铜在电动机领域的应用对于提高电动机的能效具有非常重要的意义,作为铜在高效电动机领域应用的一个成功案例,铸铜转子电动机具有效率高、材料成本低、重量轻、体积小、寿命长等诸多优点。下面本文将着重讨论铜对电能使用的主要设备- 电动机能效提高方面的作用。


1.1.jpg


一、提升电动机能效的意义

作为生产生活中最重要的动力设备之一,电动机承担着将电能转换成机械能,从而驱动机械设备的作用。根据美国能源部的统计,美国电动机的用电量占工业总用电量的2/3,占其全部用电量的1/2,电动机所传递的能量消耗其一次能源总量的20%。欧盟的统计资料显示,当年欧盟的总用电量为17000亿kWh,而其中电动机的用电量为7190亿kWh,占其总用电量的42%。同时,目前我国电动机的耗电量约占我国社会总用电量的60%左右。

正是由于电动机在工业用电中所占的比重如此之大,提高电动机的能效对于促进能源的节约利用,保护环境以及可持续发展都具有非常重要的意义。根据欧盟有关专家预测,欧盟的工业和第三产业中异步电动机的用电量将达到8720亿kWh,如果能将不同功率的电动机的效率提高1%-6%,届时可以节约电能3%左右,价值26亿欧元(10欧分/kWh)。

同样,在美国,电动机的效率仅仅提高一个百分点,每年就能节省约200亿kWh的电能,价值14亿美元(7美分/kWh)。在我国,为了落实科学发展观,实现人与环境的协调可持续发展,提高电动机能效水平具有十分重要的意义。电机系统节能工程已被列入我国“十一五”期间实施的十大节能工程,这也充分体现了电动机节能工作的重要性。

二、如何有效提升电动机能效

要想提高电动机的能效,就需要降低电动机的损耗,以目前使用最为普遍的三相交流异步电动机为例,电动机的损耗主要包括铁心损耗、定、转子铜损、风摩损耗以及杂散损耗, 它们占电动机总损耗的比例以及主要影响因素如下表所示:

损耗类型

比例%

影响因素

铁芯损耗

15-20%

铁芯材料的导磁性能:气隙

风摩损耗

5-15

风扇的效率:轴承:润滑油

定子绕组(铜)损耗

30-45

定子导体尺寸:散热因素

转子绕组(铜或铝)损耗

20-25

转子笼型尺寸:散热因素

杂散损耗

10-15

制造工业:槽型设计:气隙

电动机总损耗构成比例以及主要影响因素

电动机总损耗构成比例以及主要影响因素

从表中可以看出,定、转子的铜损占电动机总损耗的很大一部分,而铜正好可以在降低电动机定、转子损耗方面发挥重要的作用。对于定子绕组铜损PCu1主要为满载时定子绕组在运行温度下的电阻损耗。定子绕组铜损耗计算公式为:

1.2.jpg

定子铜耗在电动机损耗中占有相当大的比例。如何降低定子铜耗,对提高电动机的效率非常关键。降低定子铜耗就是降低定子电阻R1和定子电流I1。因为定子电阻R1 =ρL /S , 故降低定子电阻就是通过缩短线圈长度L、加大每圈导线截面S和降低导线电阻率ρ来实现。

由于铜所具有的极低的电阻率,因此绝大多数电动机都采用铜线来制作电动机的定子绕组。对于已经使用铜绕组的电动机而言,增大铜线截面是发展高效电机的一个关键措施。近年来已率先开发出来的一些高效电机与传统电机相比,铜绕组的使用量增加25~100%。

对于转子损耗,目前绝大多数电动机的转子都是铸铝转子,如果使用铸铜转子替代目前鼠笼式三相异步电动机广泛使用的铸铝转子,电动机的总损耗将可以显著下降,从而提高电动机的整体效率。使用铸铜转子可以制造出高效甚至超高效的电动机。在同样的电动机尺寸条件下,可以达到更高的电机能效水平。例如,从欧盟的能效标准EEF2,升高到更高的能效标准EFF1。

或者,从为普通感应电动机制定的EPACT(美国联邦能效法规)升级到NEMA(国家电气制造商协会)Premium超高效标准。针对铸铜转子的特性重新设计电动机的转子和定子,可以最大限度的提高效率,以达到更高的甚至Super Premium超超高效的能效标准。

(资料来源:银河电气、今日电机编辑整理


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