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摘要：在研制超高效电机时，需研究其对铁耗的影响并给出降耗措施。传统电机设计时，定子绕组通常采用６０°相带的普通叠绕组，会产生大量谐波磁场，在转子表面产生附加损耗；而采用低谐波绕组（双层同心式不等匝绕组）会减少谐波含量，降低附加损耗。此外，精确计算电机的铁耗，准确分析区域铁耗分布对提高电机效率有重要意义。
关键词：异步电机；气隙磁场；低谐波绕组；空载铁耗
引言
介绍一种新型高效低谐波绕组，初步分析了该绕组磁势谐波的特点。采用有限元方法进行电磁场分析，表明新型高效低谐波绕组电机可以有效降低电机谐波，改善电机磁场分布。通过样机制造和电机试验，证实了新型高效低谐波绕组电机杂散损耗大幅度减小，电机温升显著降低。
1低谐波绕组理论及设计
低谐波绕组是指双层同心式不等匝绕组。采用低谐波绕组，可以在满足槽满率不变的前提下，合理调整槽内线圈的匝数，使定子电流沿铁芯表面正弦分布，产生的磁势也正弦分布，降低气隙磁场中的谐波含量，同时降低附加损耗，提高电机的效率，且与普通叠绕组电机相比，只是定子绕组的排布方式和线圈匝数发生了改变，电机的其他参数均不变。
2高效电机性能分析
2.1减小电机损耗的措施与方法
（1）减小电机铜耗的措施
定子侧铜耗与定子电流和绕组的电阻有关，常用的方法就是增加绕组截面积以减小绕线电阻，减小电密，这种方法要受到槽满率等多方面的制衡。所以进行高效节能电机研制时，部分规格放大了冲片外径，目的就是增加槽面积可以放下更多的铜线。另外，还可通过改进绕组的端部设计，减小端部的长度来减小整个绕组的电阻。目前大部分电机都是铸铝转子。铜的电导率要比铝高，铸铜转子的电机理论上转子损耗可以下降38%。采用铸铜转子的电机可以极大地提高电机效率。
（2）减小铁耗的措施
减小铁耗最常用的办法就是采用磁导率高、损耗低的优质硅钢片。另外，硅钢片的厚度是影响电机铁耗的重要因素之一，国内主流的硅钢片都是0．5mm厚，而国外的产品很多开始采用0．35mm甚至0．27mm厚的硅钢片。随着硅钢片厚度的减小，磁性能也有提升。
减小电机的铁耗除了合理设计电机的磁路外，还要考虑电机铁心制造工艺的影响。一般硅钢片加工成铁心压入机座后铁耗大幅度增加，目前常用的冲片退火工艺是在冲片冲剪之后进行退火处理，以消除应力，恢复冷轧硅钢片的良好性能，对降低铁耗起到了很好的作用。
（3）减小机械损耗的措施
机械损耗分为通风损耗和摩擦损耗。通过优化风路结构，改进风扇及风罩的设计可以有效地降低通风损耗；摩擦损耗可以通过采用优质低摩擦轴承和低摩擦润滑油脂等措施来减小。
（4）减小杂散损耗的措施
杂散损耗可以通过优化设计和工艺等措施来减小。设计上采用优化气隙、采用低谐波绕组、优化槽配合等；工艺上对转子槽进行绝缘处理来降低转子的高频横向电流损耗、用冲出气隙代替车削气隙来减小转子表面高频损耗等。另外，电机端盖等实心零件可以采用非磁性材料来限制漏磁场引起的涡流损耗。
2.2低谐波绕组技术的研究
定子绕组的形式决定了绕组的基波分布系数和谐波含量，对电机性能有较大影响。经常采用的定子绕组形式有单层绕组和双层绕组，其中双层绕组可以采用长、短距等措施来减小谐波含量。而低谐波绕组可以采用不等绕组匝数、“△-Y”串联等方式来产生接近正弦的气隙磁通。对于高效电机，有必要采用低谐波绕组来改善电机的磁势波形，从而降低电机杂散损耗。在低谐波绕组中，双层同心不等匝绕组下线方便，不需要改变出线形式，具有良好的工艺可实现性。而且可以节省铜线，取得节材和提高效率的双重效果。
不等匝低谐波绕组实质是将槽内的导体数适当分配，使槽电流沿铁心表面按正弦规律分布，以得到接近于正弦形的磁势曲线。
3高效低谐波绕组电机验证
3.1设计电机
为了更好地分析新型高效低谐波绕组，将其与正弦绕组进行对比分析。通过采用相同的结构尺寸的电机，1台绕组设计成正弦绕组，另1台绕组设计成新型高效低谐波绕组，其他部分完全一致，然后对2台电机进行仿真分析。
3.2制造验证
采用2组YX3-315L1-4电机进行对比试验验证，电机定子、转子冲片等不变，绕组分别按正弦绕组与新型高效低谐波绕组设计，新型高效低谐波绕组定子铁心长度相比正弦绕组缩短了20mm。
3.3增加有效材料提高电机效率
增加有效材料有两个方面：一是增加电机铜、铝的用量以减小定、转子电阻；二是采用更高性能材料，如采用高性能硅钢片以减小铁耗，采用铸铜转子以减小转子铜耗等。表1是4台分别满足3级能效和2级能效的45kW-2电机的损耗及有效材料使用情况。从表1中数据可以看出，效率的提升主要源于定、转子侧铜耗及铁耗的减少，其中定子侧铜耗、转子侧铜耗和铁耗平均减少了20%～30%。
3.4不同措施效果的比较
通过以上理论分析和样机的实际测试验证，可以看出不同的措施对于提高电机效率产生的效果和付出的成本各不相同。长期以来，国内大部分电机制造企业设计生产高效电机的主要手段就是增加有效材料的利用，随着电机能效等级的不断提升，这种做法越来越有局限性；直接冲出气隙工艺能够大大减小杂散损耗，但是对转子铁心的制造水平要求较高；退火能够降低电机的铁耗但是需要专门的工艺和设备保障；而用双层同心低谐波绕组，仅需改变绕组的下线方式，工艺可实现性强，不仅能够提高效率还能节省铜线，在高效电机的试制中效果明显，具有广阔的应用前景。
4需注意事项
1）由于新型绕组磁场波形接近于正弦，而普通绕组磁场幅值比较扁平，所以在空间上，新型绕组的磁场密度幅值比普通绕组要高。因此电机设计时，磁密不能取得过高，否则容易引起空载电流过高，功率因数偏低，甚至造成电机铁心损耗急剧增加和局部过热的情况。
2）由于新型绕组的优势在于合理的分配匝数比例，所以，在每极每相槽数q较多时效果会十分明显；但是当q<3时，效果则不明显。其次，在设计时间充足的情况下，最好用Ansoft的磁场分析软件，进行磁场模拟分析，以确保电机磁场的合理分布。
3）谐波绕组系数越小，基波绕组系数也越小，所以不能因为盲目的追求低谐波，而忽略了电机的整体性能。应该选取适当的高基波绕组系数方案，提高绕组的有效利用率。
结语
采用低谐波绕组后，与普通绕组相比，并没有改变定转子铁芯各部分铁耗的分布规律，定转子铁芯各部分铁耗的大小顺序不变，定子局部铁耗从大到小依次为定子轭部、定子齿身、定子齿与轭交界处、定子齿顶，转子局部铁耗从大到小依次为转子齿上部、转子齿下部、转子轭部；气隙磁密中的基波含量略有减少，但主要低次谐波和一阶齿谐波含量明显减少，其中３次谐波含量减少７３．９％，５次谐波含量减少４４．３％。采用低谐波绕组后，基波铁耗减少１１．１％，谐波铁耗减少２２．０％，总铁耗减少１４．２％，有效地提高了电机效率。
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