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船用高效节能电动机技术研究
船用高效节能电动机技术研究 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。
