船用高效節能電動機技術研究

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摘要：文章分析了電動機三圓尺寸、鐵芯長度、導條材料等對電動機電磁參數和性能的影響，并據此設計高效節能的電動機。

關鍵詞：高效節能;轉矩;變頻

據統計，在船舶配套設備中，主機約占25%～30％，導航、機艙自動化類設備約占30％，輔機設備約占40%～45％。船舶輔機設備節能、環保與高效已經成為當前世界船舶工業領域的技術研究熱點之一。與發達國家相比，我國能源利用率仍具有較大差距。主要體現在我國市場上現行使用的電動機的平均效率僅為87%，該效率水平相當于國際電工委員會(IEC)能效標準的最低一級，即IE1效率等級。因此，研究高效、節能、環保的船舶電動機，開發新型輔機設備節能驅動裝置已經成為豪華游輪、新能源動力船舶等高技術、高附加值船舶輔機設備的發展趨勢，也是為我國船舶輔機設備提高附加值和國際市場競爭力，并滿足未來船舶發展需求的必由路徑。

1船用電動機的形式和主要參數分析研究

1.1船用電動機分類。船用電動機作為船舶上各種機械設備的動力源，是數量繁多、總能耗巨大的設備，其節能效果直接關系到船舶整體的運行成本。船舶電動機按照類型可分為感應電動機（普通感應電動機，變頻器驅動感應電動機等），同步電動機（普通同步電動機、永磁同步電動機等）等。電動機按照功率的大小或者機座號或電壓等級進行分類，一般可以分為微特電動機、小功率電動機、小型電動機、中型電動機和大型電動機等。1.2船用電動機的選用原則。一般應根據預期使用目的、使用時的環境條件和運行條件及必要的要求等來選擇電動機的種類和規格，使所選用的電動機既能滿足生產工藝過程和工作機械特性的要求，又能符合工作場合的使用環境條件，同時也能夠盡量考慮到整個使用系統的經濟、合理、可靠、安全、節能和環保。船用電動機一般選用的是感應電動機，其同步轉速等級，當電源頻率為50Hz的時候，有3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min、600r/min、500r/min、電動機實際使用要根據負載特性進行選取。以一艘典型散貨船為例，船舶電動機的情況如下：1）總電動機臺數：91臺；2）電動機的功率范圍：0.1~360kW；3）電動機類型：鼓風機驅動電動機、主機淡水冷卻泵驅動電動機、滑油泵驅動電動機、海水冷卻泵驅動電動機、燃油泵驅動電動機、啟動泵驅動電動機、排風機驅動電動機、消防泵驅動電動機、燃油傳輸泵驅動電動機、壓縮機驅動電動機等；4）電動機消耗的功率占發電機功率比例：航行狀態：54%，壓載狀態：60%，機動狀態：56%，裝卸貨狀態：62%，靠港狀態：29%。由上述統計可見，船舶電動機種類繁多，但主要的負載類型為風機、泵類負載，該類型的負載的工作流量需要變化，采用調速運行的感應電動機，可以具有良好的節能效果。對于卷揚裝置和提升機械在運行過程中采用調速裝置，也可以節約電能，但對于恒功率運行的電動機，其節能效果有限。由此可見，電動機的諸多型式的選取過程中，應參考電動機實際驅動的負載類型，有針對性的進行選取。

2船用高效節能型電動機主要參數的計算與分析研究

傳統的船用電動機一般使用異步電動機，其設計過程需要考慮電動機額定運行時的效率、功率因數、最大轉矩、起動轉矩和起動電流等運行性能，對經驗參數的依賴性很大。為實現驅動系統的高效節能，可使用高效變頻調速異步電動機，而變頻調速異步電動機設計時，需要考慮整個變頻調速系統的運行性能，電動機的設計要與系統相匹配。因此，船用高效節能型輔機驅動變頻電動機的設計不但要分析異步電動機的效率，功率因數、最大轉矩等性能參數在整個調速范圍內的數值，還需兼顧電動機的動態性能。本文依據典型樣機的設計計算，主要分析了電動機三圓尺寸、鐵芯長度、導條材料等參數對電動機電磁參數及性能的影響。下述內容均以55kW高效變頻電動機為例。對于55kW電動機，忽略開槽對電動機的影響，當定子鐵芯外徑變化，其他電動機尺寸不變時，單純考慮主要尺寸變化對電動機運行性能的影響，電動機效率、功率因數、起動轉矩和起動電流等運行性能參數隨電動機定子鐵芯外徑變化的變化如表1所示。上述三個表格可以看出，定轉子內外徑對電動機運行性能的影響很大，而鐵芯長度對其影響相對較小，除考慮上述因素外，還需從定子鐵芯材料的消耗、損耗和價格整體方面綜合考慮。轉子導條一般采用四種材料：鑄鋁、鑄銅、鋁導條和銅導條四種。通常小型電動機多采用鑄鋁轉子，價格優廉，且能滿足工程實際對轉子各方面性能的需求。而鑄銅轉子考慮經濟適用性，小型電動機很少適用，一般多用在中大型電動機上。在選擇導條材料時，需要保證足夠的起動轉矩，對鑄鋁轉子往往要求選擇高阻鋁合金。而銅導條由于材質不同，電阻率也不同，選擇范圍相對較廣泛。對于55kW電動機，采用磁路法分析得到不同材料轉子導條的電動機起動性能參數如表4所示。鑄鋁材料，電導率為5.810S/m為銅材料。可以看到隨著電導率的增加，導條的電阻減小，銅耗就減小，電動機效率就增加，從這個角度出發，電動機采用鑄銅轉子導條較好，但是電動機的起動轉矩會降低，不利于電動機過載能力。因此，轉子導條的選擇需同時考慮提高起動轉矩和降低損耗，提高電動機效率，這是相互矛盾的。綜合考慮，若要增加堵轉轉矩，就必須增加導條電阻，同時損耗也隨之增加。降低導條電流也能起到降低損耗的的作用，應具體分析導條中哪項損耗所占比重較大，便于取舍。轉子的損耗影響電動機效率，因此，在滿足起動轉矩的情況下應優先考慮效率。

3結束語

高效節能型電動機的設計過程中應綜合考慮電動機的三圓尺寸、鐵芯長度、導條材料等主要參數，在對各參數進行計算的基礎上，分析得出其主要影響參數。最終實現電動機高效節能。

參考文獻

[1]GB/T18613-2012,中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級

[2]GB/T1032-2012,三相異步電動機試驗方法

[3]GB755-2008,旋轉電機定額和性能

作者:龐博 單位:中國船級社天津分社