引言

　　近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論的發(fā)展，全球的工業(yè)電機(jī)市場(chǎng)得到很大增長(zhǎng)。隨著稀土永磁材料、磁性復(fù)合材料的出現(xiàn)，各種新型、高效、特種電機(jī)相繼出現(xiàn)。由于國(guó)際社會(huì)對(duì)節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)及可持續(xù)發(fā)展的重視程度日益提高，生產(chǎn)高效電機(jī)已成為全球工業(yè)電機(jī)的發(fā)展方向。在全球降低能耗的背景下，紛紛推出高效節(jié)能政策，進(jìn)一步推動(dòng)全球工業(yè)電機(jī)制造行業(yè)加速發(fā)展。

　　1. 電機(jī)行業(yè)朝著智能化、節(jié)能化轉(zhuǎn)型

　　目前，普通低壓電機(jī)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但是在大功率高壓電機(jī)、特種環(huán)境應(yīng)用電機(jī)、超高效電機(jī)等領(lǐng)域，仍然有較多的技術(shù)門(mén)檻。綜合全球電動(dòng)機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，其主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：行業(yè)向智能化、集成化發(fā)展。傳統(tǒng)電機(jī)制造已經(jīng)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)電子技術(shù)、智能控制技術(shù)的交叉融合。未來(lái)針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域使用的中小型電機(jī)系統(tǒng)、不斷地開(kāi)發(fā)、優(yōu)化智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)控制、傳感、驅(qū)動(dòng)等功能的集成設(shè)計(jì)制造，是電機(jī)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　2. 電機(jī)制造向差異化、專(zhuān)業(yè)化，高效、節(jié)能方向發(fā)展

　　電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品廣泛地應(yīng)用于能源、交通、石油、化工、冶金、礦山、建筑等各個(gè)領(lǐng)域。隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷深化，科技水平的不斷提高，過(guò)去同一類(lèi)電動(dòng)機(jī)同時(shí)用于不同性質(zhì)、不同場(chǎng)合的局面正在被打破，電機(jī)產(chǎn)品逐步向?qū)I(yè)性、差異化、專(zhuān)業(yè)化的方向發(fā)展。

　　近年來(lái)，全球相關(guān)環(huán)保政策為提高電機(jī)及其控制系統(tǒng)的效能指出了明確的政策導(dǎo)向。因此，電動(dòng)機(jī)行業(yè)需加快現(xiàn)有生產(chǎn)裝備的節(jié)能改造，推廣高效綠色生產(chǎn)工藝，開(kāi)發(fā)新一代節(jié)能電機(jī)、電機(jī)系統(tǒng)及控制產(chǎn)品、測(cè)試設(shè)備，完善電動(dòng)機(jī)及系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，著力提升電動(dòng)機(jī)及系統(tǒng)產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

　　3. 高效節(jié)能電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和材質(zhì)選擇

　　高效節(jié)能電機(jī)采用優(yōu)質(zhì)材料和優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更高的效率。例如，轉(zhuǎn)子中的鋁含量越高，定子中的槽填充系數(shù)越高，電阻損失越小。優(yōu)化的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子-定子氣隙減少雜散負(fù)載損失。改進(jìn)冷卻風(fēng)扇設(shè)計(jì)，使電機(jī)冷卻的風(fēng)阻損失最小，轉(zhuǎn)子和定子鐵芯采用更高質(zhì)量和更薄的鋼疊片，大大降低磁化損耗。

　　3.1 優(yōu)化定、轉(zhuǎn)子疊片的尺寸及其所用鋼材的質(zhì)量

　　磁滯損耗和渦流損耗一起稱(chēng)為鐵芯損耗，總損耗的20%左右是由渦流和鐵芯飽和引起的。疊片中產(chǎn)生的渦流相對(duì)于不斷變化的磁場(chǎng)移動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致顯著的功率損失。疊層定子鐵芯可減少渦流損耗，并基于鐵的質(zhì)量、電阻率、密度、厚度、頻率和磁通密度，渦流損耗可以通過(guò)更多的疊片來(lái)最小化。

　　磁滯損耗是磁路在磁通量不斷變化時(shí)產(chǎn)生的，電機(jī)中使用的大多數(shù)載荷材料是用于定子和轉(zhuǎn)子鐵心的鋼，通過(guò)減少疊片厚度，使磁通密度和鐵芯損耗最小化。通過(guò)退火選用更好等級(jí)的疊片用鋼以改變晶粒結(jié)構(gòu)以便于磁化，可以降低磁滯損耗。通過(guò)增加含硅鋼的電阻率來(lái)減少渦流損耗，但硅含量增加了沖壓過(guò)程中的模具磨損，因?yàn)樗黾恿虽摰挠捕?。沖壓過(guò)程中損壞的鋼晶體嚴(yán)重降低了受影響體積的磁性質(zhì)量。退火使疊片變平，并使沖壓過(guò)程中受損的晶體再結(jié)晶，從而將一個(gè)薄板厚度延伸到疊片中。

　　3.2 使用浸浴工藝進(jìn)行定子層壓

　　浸漬定子可加強(qiáng)定子繞組的電氣絕緣，防止化學(xué)品或惡劣環(huán)境影響，并增強(qiáng)散熱。熱固性塑料包括環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和聚酯用于浸漬定子，沉浸是將定子浸入樹(shù)脂中較長(zhǎng)時(shí)間，以確保最佳滲透和保護(hù)。另一種浸漬方法被稱(chēng)為真空壓力，它使用一個(gè)先排空然后加壓的罐，以實(shí)現(xiàn)對(duì)定子的滲透。實(shí)現(xiàn)從電繞組中抽出氣穴，提高了繞組的熱導(dǎo)率。

　　3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)定子槽，以最大限度地增加可插入銅的體積

　　槽滿(mǎn)率在一定程度影響定子繞組質(zhì)量，槽滿(mǎn)率低會(huì)導(dǎo)致總損耗的60%，因此為了減少總損耗，定子繞組的質(zhì)量必須較大，從而降低電阻。與標(biāo)準(zhǔn)效率電機(jī)相比，高效電機(jī)含有超過(guò)20%的額外銅，定子的絕緣繞組被放置在鋼片的槽內(nèi)。橫截面積必須足夠大，以滿(mǎn)足電機(jī)的額定功率。一般情況下，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)采用開(kāi)放式或半封閉式定子槽。在半封閉槽中，槽的開(kāi)口比槽的寬度小得多，與開(kāi)口槽相比，纏繞更困難，制造更耗時(shí)。在設(shè)計(jì)階段必須選擇定子槽的數(shù)量，因?yàn)樵摂?shù)量會(huì)影響重量、成本和運(yùn)行特性。多槽的優(yōu)點(diǎn)是減少漏抗，減少齒脈動(dòng)損耗，提高過(guò)載能力，更多定子槽的缺點(diǎn)是成本增加、重量增加、磁化電流增加、鐵損耗增加、冷卻不良、溫升增加和效率降低。

　　3.4 轉(zhuǎn)子壓鑄采用優(yōu)質(zhì)純鋁

　　定制設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子可以最大限度地提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，降低導(dǎo)體電阻，提高效率。大多數(shù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子都采用鼠籠式設(shè)計(jì)。堅(jiān)固耐用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，但它們的啟動(dòng)扭矩較低。銅轉(zhuǎn)子提高了效率，但制造起來(lái)既困難又昂貴。

　　3.5 轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙達(dá)到最佳

　　氣隙是標(biāo)準(zhǔn)徑向電機(jī)中電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子之間的徑向距離。為了提高設(shè)計(jì)效率，需要保持最佳氣隙。氣隙尺寸涉及定子、轉(zhuǎn)子、電機(jī)外殼和軸承的設(shè)計(jì)。所有這些都會(huì)影響定子和轉(zhuǎn)子軸的精確對(duì)準(zhǔn)。

　　3.6 采用性能優(yōu)良的電磁漆包線(xiàn)

　　磁鐵或漆包線(xiàn)是一種電解精煉的銅或鋁線(xiàn)，已完全退火并涂有一層或多層絕緣層。例如，使用總共有12層絕緣層的電線(xiàn)。典型的絕緣膜，隨著溫度范圍的增加，有聚乙烯、聚氨酯、聚酯和聚酰亞胺，最高溫度可達(dá)250°C。較厚的矩形或方形磁鐵線(xiàn)用高溫聚酰亞胺或玻璃纖維膠帶包裹，使用更多的銅，更大的導(dǎo)體棒和導(dǎo)體增加了定子和轉(zhuǎn)子繞組的橫截面積，可降低繞組電阻，減少電流造成的損耗，高效電動(dòng)機(jī)的定子繞組中的銅通常會(huì)多出20%。

　　電機(jī)由很多的零部件構(gòu)成，每個(gè)零部所提供不同的結(jié)構(gòu)和功能屬性，導(dǎo)致在電機(jī)系統(tǒng)的功能不同，每個(gè)零部件提供功能優(yōu)劣最終影響電機(jī)輸入性能。通過(guò)優(yōu)化電機(jī)各個(gè)部件的性能，最終使電機(jī)的性能達(dá)到最優(yōu)。

　　4. 結(jié)論

　　目前，電機(jī)制造業(yè)為應(yīng)對(duì)全球化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，逐步由“大而全”向“專(zhuān)業(yè)化、集約化”轉(zhuǎn)變，隨著電機(jī)智能化控制系統(tǒng)的發(fā)展和完善，進(jìn)一步推動(dòng)工業(yè)電機(jī)行業(yè)中專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)模式的發(fā)展。未來(lái)，在低碳環(huán)保政策帶動(dòng)下，工業(yè)電機(jī)將全面朝綠色節(jié)能化發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[3]孫紅超，劉文輝，王富春，高效電機(jī)設(shè)計(jì)方法的研究[J]，防爆電機(jī)，2014(2):1-4。

　　作者簡(jiǎn)介：

　　陳金剛，男，1974年10月生，1996年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)機(jī)電工程專(zhuān)業(yè)，一直在德州恒力電機(jī)有限責(zé)任公司從事低壓電器設(shè)備的設(shè)計(jì)，選型，檢測(cè)和故障分析工作，2020年晉升為高級(jí)工程師。