船用高效节能电动机技术研究

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摘要：文章分析了电动机三圆尺寸、铁芯长度、导条材料等对电动机电磁参数和性能的影响，并据此设计高效节能的电动机。

关键词：高效节能;转矩;变频

据统计，在船舶配套设备中，主机约占25%～30％，导航、机舱自动化类设备约占30％，辅机设备约占40%～45％。船舶辅机设备节能、环保与高效已经成为当前世界船舶工业领域的技术研究热点之一。与发达国家相比，我国能源利用率仍具有较大差距。主要体现在我国市场上现行使用的电动机的平均效率仅为87%，该效率水平相当于国际电工委员会(IEC)能效标准的最低一级，即IE1效率等级。因此，研究高效、节能、环保的船舶电动机，开发新型辅机设备节能驱动装置已经成为豪华游轮、新能源动力船舶等高技术、高附加值船舶辅机设备的发展趋势，也是为我国船舶辅机设备提高附加值和国际市场竞争力，并满足未来船舶发展需求的必由路径。

1船用电动机的形式和主要参数分析研究

1.1船用电动机分类。船用电动机作为船舶上各种机械设备的动力源，是数量繁多、总能耗巨大的设备，其节能效果直接关系到船舶整体的运行成本。船舶电动机按照类型可分为感应电动机（普通感应电动机，变频器驱动感应电动机等），同步电动机（普通同步电动机、永磁同步电动机等）等。电动机按照功率的大小或者机座号或电压等级进行分类，一般可以分为微特电动机、小功率电动机、小型电动机、中型电动机和大型电动机等。1.2船用电动机的选用原则。一般应根据预期使用目的、使用时的环境条件和运行条件及必要的要求等来选择电动机的种类和规格，使所选用的电动机既能满足生产工艺过程和工作机械特性的要求，又能符合工作场合的使用环境条件，同时也能够尽量考虑到整个使用系统的经济、合理、可靠、安全、节能和环保。船用电动机一般选用的是感应电动机，其同步转速等级，当电源频率为50Hz的时候，有3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min、600r/min、500r/min、电动机实际使用要根据负载特性进行选取。以一艘典型散货船为例，船舶电动机的情况如下：1）总电动机台数：91台；2）电动机的功率范围：0.1~360kW；3）电动机类型：鼓风机驱动电动机、主机淡水冷却泵驱动电动机、滑油泵驱动电动机、海水冷却泵驱动电动机、燃油泵驱动电动机、启动泵驱动电动机、排风机驱动电动机、消防泵驱动电动机、燃油传输泵驱动电动机、压缩机驱动电动机等；4）电动机消耗的功率占发电机功率比例：航行状态：54%，压载状态：60%，机动状态：56%，装卸货状态：62%，靠港状态：29%。由上述统计可见，船舶电动机种类繁多，但主要的负载类型为风机、泵类负载，该类型的负载的工作流量需要变化，采用调速运行的感应电动机，可以具有良好的节能效果。对于卷扬装置和提升机械在运行过程中采用调速装置，也可以节约电能，但对于恒功率运行的电动机，其节能效果有限。由此可见，电动机的诸多型式的选取过程中，应参考电动机实际驱动的负载类型，有针对性的进行选取。

2船用高效节能型电动机主要参数的计算与分析研究

传统的船用电动机一般使用异步电动机，其设计过程需要考虑电动机额定运行时的效率、功率因数、最大转矩、起动转矩和起动电流等运行性能，对经验参数的依赖性很大。为实现驱动系统的高效节能，可使用高效变频调速异步电动机，而变频调速异步电动机设计时，需要考虑整个变频调速系统的运行性能，电动机的设计要与系统相匹配。因此，船用高效节能型辅机驱动变频电动机的设计不但要分析异步电动机的效率，功率因数、最大转矩等性能参数在整个调速范围内的数值，还需兼顾电动机的动态性能。本文依据典型样机的设计计算，主要分析了电动机三圆尺寸、铁芯长度、导条材料等参数对电动机电磁参数及性能的影响。下述内容均以55kW高效变频电动机为例。对于55kW电动机，忽略开槽对电动机的影响，当定子铁芯外径变化，其他电动机尺寸不变时，单纯考虑主要尺寸变化对电动机运行性能的影响，电动机效率、功率因数、起动转矩和起动电流等运行性能参数随电动机定子铁芯外径变化的变化如表1所示。上述三个表格可以看出，定转子内外径对电动机运行性能的影响很大，而铁芯长度对其影响相对较小，除考虑上述因素外，还需从定子铁芯材料的消耗、损耗和价格整体方面综合考虑。转子导条一般采用四种材料：铸铝、铸铜、铝导条和铜导条四种。通常小型电动机多采用铸铝转子，价格优廉，且能满足工程实际对转子各方面性能的需求。而铸铜转子考虑经济适用性，小型电动机很少适用，一般多用在中大型电动机上。在选择导条材料时，需要保证足够的起动转矩，对铸铝转子往往要求选择高阻铝合金。而铜导条由于材质不同，电阻率也不同，选择范围相对较广泛。对于55kW电动机，采用磁路法分析得到不同材料转子导条的电动机起动性能参数如表4所示。铸铝材料，电导率为5.810S/m为铜材料。可以看到随着电导率的增加，导条的电阻减小，铜耗就减小，电动机效率就增加，从这个角度出发，电动机采用铸铜转子导条较好，但是电动机的起动转矩会降低，不利于电动机过载能力。因此，转子导条的选择需同时考虑提高起动转矩和降低损耗，提高电动机效率，这是相互矛盾的。综合考虑，若要增加堵转转矩，就必须增加导条电阻，同时损耗也随之增加。降低导条电流也能起到降低损耗的的作用，应具体分析导条中哪项损耗所占比重较大，便于取舍。转子的损耗影响电动机效率，因此，在满足起动转矩的情况下应优先考虑效率。

3结束语

高效节能型电动机的设计过程中应综合考虑电动机的三圆尺寸、铁芯长度、导条材料等主要参数，在对各参数进行计算的基础上，分析得出其主要影响参数。最终实现电动机高效节能。

参考文献

[1]GB/T18613-2012,中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级

[2]GB/T1032-2012,三相异步电动机试验方法

[3]GB755-2008,旋转电机定额和性能

作者:庞博 单位:中国船级社天津分社