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     编者按 提高电动机的能效水平,无论对于最终用户提高能源利用率、促进可持续发展,还是节约能源费用都具有非常重要的意义。铜具有极其优异的导电性能,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。本文介绍了铸铜转子电动机的优点以及在国内外的发展情况,通过分析比较,认为铸铜转子电动机必将具有广阔的市场前景。
一、前言
     铜,英文名称 COPPER,源自拉丁文 Cuprum,是以产铜闻名的塞浦路斯岛的古名。西方传说,古代地中海的 CYPRUS 岛是出产铜的地方,因而由此得到铜的拉丁名称 CUPRUM 和铜的元素符号 Cu。铜是人类最早发现使用的金属之一,也是人类用于生产的第一种金属,最初人们使用的只是存在于自然界中的天然单质铜,用石斧把它砍下来,便可以锤打成多种器物。随着生产的发展,只使用天然铜制造的生产工具就不敷应用了,从而促使人们找到了从铜矿中取得铜的方法。含铜的矿物比较多见,大多具有鲜艳而引入注目的颜色,例如:金黄色的黄铜矿 CuFeS2,鲜绿色的孔雀石 CuCO3•Cu(OH)2,深蓝色的石青2CuCO3•Cu(OH)2 等,把这些矿石在空气中焙烧后形成氧化铜 CuO,再用碳还原,就可得到金属铜。
     纯铜具有紫红色的金属光泽。纯铜的密度为8.92×103 kg/m3,熔点为1083.4±0.2℃,沸点为2567℃。常见化合价为 +1 和 +2 ( 3 价铜仅在少数不稳定的化合物中出现),电离能为 7.726 电子伏特。铜不仅是人类发现最早的金属之一,也是最好的纯金属之一,铜的特点是稍硬、极坚韧、耐磨损,具有良好的延展性。
     铜的导电和导热性除略逊于银以外,是所有金属中最好的。工程上,把退火纯铜的导电性规定为100%,其它材料与它对比进行标定,称为 IACS 值(国际退火铜标准值)。因为铜的导电性对微量杂质很敏感,所以在生产上可以用 IACS 值作为铜纯度的一个指标。高纯铜的 lACS 值可达 101.5%。高纯铝(99.996%)和工业纯铝(99.5%)的 IACS 值分别为64.94% 和 59%。也就是说,在电气工程应用中,铜材的导电性比铝材高 35% 以上。
     铜所具有独特的导电性能是铝所不能代替的,这也是铜在电能供应及使用领域中大量应用的原因。从电能的产生、输送、分配到最终使用过程中,铜都发挥着非常重要的作用。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。
二、铜与电动机的能效
     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。而铜对于电动机能效的提高起着不可替代的作用。根据美国能源部的统计,其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了其一次能源总量的 20%。欧盟 1992 年的统计资料显示,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%。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。根据欧盟有关专家在 1997 年预测,到 2010 年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”期间将要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。
     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表 1 所示。
     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:PCul = 3I12R1
     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。近年来己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 EFFl。或者,从为普通感应电动机制定的EPACT(1992 年美国联邦能效法规)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 超高效的能效标准。
三、铸铜转子电动机
     以下就详细介绍铜在提高电动机能效方面应用的实例——铸铜转子电动机。
     使用铸铜转子的电动机可以有效降低电动机的转子损耗,从而帮助提高电动机的效率,在电动机损耗降低的同时,由于转化为热能的能量减少,从而使得转子以及定子线圈温度降低。较低的温度就意味着可以使用较小的风扇甚至不使用风扇,这将会减少附加零件的摩擦损失以及空气阻力的损失,从而进一步提高电动机的效率。同时,由于电动机工作温度的降低,将大大延长电动机的寿命和降低维修费用。按照一般规律,电动机的温度每降低 10 摄氏度,绝缘材料的寿命就增加一倍。在正常维修的情况下,铸铜转子的电动机具有更久的使用寿命以及更高的使用可靠性。
     由于铜的低电阻率,相同感应电压下转子中的电流要大于铸铝转子,因此可以使用较少的材料来制造相同功率和效率的电动机。正是由于所用材料的减少,使得铸铜转子电动机在功率和效率相同的情况下,比传统电动机具有更低的材料成本、较小的重量以及更小的体积。同时,由于铸铜转子电动机所具有的以上优点,为电动机的设计以及制造厂商提供了更大、更灵活的设计空间——既可以追求高效率,也可以追求低成本、小体积、低重量,或者在几者之间进行平衡。
虽然铸铜转子具有很多优点,但由于铸铜转子生产的困难性,使得目前电动机广泛使用的仍然是铸铝转子。铸铜转子生产的难点是:铜的纯度以及很高的压铸温度。铜压铸的浇注温度在 1100 摄氏度左右,而铝压铸的浇注温度仅为 700 摄氏度左右。这样高的浇注温度对于模具以及压铸机的压室都是很大的考验。这也成为了目前影响铸铜转子广泛应用的主要障碍。近年来国际铜业协会在美国能源部的支持下,进行了铜压铸工艺的研究。目前已解决高温模具的材料以及相关的压铸工艺问题,从而使得经济的大批量生产铸铜转子成为了可能。
     国际铜业协会所进行的相关研究工作证明了铸铜转子电动机所具有的一系列的优点。表 2 所示为 1.1 kW、5.5 kW、11 kW、37 kW 铸铜转子电动机和传统类型电动机性能以及各项损耗的对比。表中各项数据的测试方法采用 IEEE 112-B。从表中可以清楚的看出铸铜转子电动机所具有的高效率、低温升的特性。表中四种型号电动机的效率都达到或超过了 EFFl 标准。同5.5 kW、11 kW、37 kW 电动机相比,1.1 kW 铸铜转子电动机相比传统电动机的性能有非常大的提升。这是因为与另外三种型号的电动机不同,1.1 kW 的铸铜转子电动机除了用铜替代铝以外,还使用了比传统电动机导磁性能更好的硅钢片。与此相对应,5.5 kW、11 kW、37 kW 的电动机只是使用铜替代了铝,并针对铜的特性对转子以及定子进行了优化设计,就达到了如此好的性能提升。
     从表 2 中还可以看出,除了 1.1 kW 的电动机,其它三种型号的电动机效率的提升主要得益于转子损耗的降低。铸铜转子的损耗比传统的铸铝转于要低50% 到 60%。对于杂散损耗而言,其对电动机效率的影响随着电动机额定功率的增大而增大。37 kW 电动机的杂散损耗占电动机额定损耗的 2%。通过大量实验,可以发现铸铜转子的一个显著的优点就是可以大大降低杂散损耗。这可以解释为转速差的降低。从表1中可以清楚的看出铸铜转子的这一特性。
     在实际应用环境中,电动机的实际运行功率并不是总是等于电动机的额定功率的,电动机在低于额定功率的情况下运行是非常常见的。因此,电动机在其它负荷情况下的效率也必须进行考虑。
     图 1 和图 2 所示为不同型号的铸铜转子电动机和传统电动机在不同功率负荷条件下效率的比较(图中电动机均运行在 50 HZ 条件下)。从图中可以看出,铸铜转子电动机在任何功率负载情况下效率都要高于传统的铝转子电动机。在功率负载超过电动机额定功率的情况下,铸铜转子电动机的效率降低幅度要小于铝转子电动机。这主要是因为铜转子电动机的高效率所导致的较低的工作温度,从而使得铜转子电动机在过载的条件下可以应对较大的热载荷。
     从上述的分析可以看出,铜在电动机转子上的应用不仅仅可以帮助降低电动机的转子损耗,还可以同时降低电动机的风摩损耗和杂散损耗,从而有效地提高电动机的效率。
     2006 年 2 月,西门子公司推出了三款超过NEMA 能效标准的超高效电动机。其中效率最高的要比 NEMA Premium 能效标准的损耗还要降低 10%。这一系列超高效电动机的最大功率为 20 马力,而如此惊人的高效率取得得益于西门子在这些电动机上所采用的铸铜转子技术。采用铸铜转子技术所带来的电动机能效的提高可以对最终使用者产生巨大的经济效益。根据西门子的估计,对于 20 马力的电动机,效率提高 5% 所产生的能源节约在整个电动机 20 年的生命周期中将给用户带来 12,500 美元的能源节约。
     在中国,国际铜业协会支持云南铜业集团和南阳防爆集团合资成立了云南铜业压铸科技有限公司,开展铸铜转子电动机在中国的商业化生产,通过测试确定了 10 马力、4 极铸铜转子电动机的最佳电磁设计方案以及铁心叠片的最优处理方案,并生产出了 10 马力电动机样机。在效率达到 EPACT 能效标准的情况下,样机的材料成本要低于传统电动机。目前样机已经在云南铜业冶炼厂实地测试两年,体现出了显著的节能潜力以及良好的稳定性和可靠性。目前在中国生产定型的 2 马力超高效铸铜转子电动机的效率超过了 NEMA Premium 的标准。
     除了提高电动机的能效以外,铜转子还可以帮助电动机提高其它方面的性能。
     随着电动机功率的增大,对于启动电流的要求也越来越严格。图 3 和图 4 分别表示 1.1 kW 和 5.5 kW 铸铜转子和传统铝转子电动机的机械特性以及电流曲线。从图中可以看出,铸铜转子电动机具有更小的倾覆转率差以及更加陡峭的功率曲线。这样带来的好处:一是提高了电动机的倾覆功率,因为功率是转矩和转速的乘积,在倾覆力矩几乎相同的情况下,倾覆转速越大,就具有越大的倾覆功率;二是负载变换性能的提高,即电动机在大负载时改变转速的性能更好,电动机的刚性更好。这一点在变频工作方式下最重要,也最有效。供电电源频率越低,电动机的转速也越慢。
     对于电动机的启动,可以看出铸铜转子电动机与传统电动机具有几乎相同的启动电流。但是由于铸铜转子具有比传统铝转子更低的电阻,铸铜转子电动机的启动转矩要比传统电动机低 20% 左右。但是这恰恰可以满足我们的一些需求。在启动转矩达到要求的情况下,较低的启动转矩可以大大延长与电动机相连的变速箱等设备的寿命。
     综上所述,我们可以看出在电动机及电机系统存在着巨大的节能潜力,而增加在电动机中铜的使用量可以显著的提高电动机的效率。在当前越来越重视能源的充分利用与可持续发展的情况下,铜给电动机以及电动机驱动系统所带来的高效特性将具有更大的意义,也必将促进铜在电动机以及电动机驱动系统中更加广泛的应用。
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