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铸铜转子电动机及其在风电领域应用浅析

2016年06月17日

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在风电领域应用具有良好的发展机会。

1. 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,只是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,大多具有鲜艳而引人注目的颜色,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,就得到金属铜。

纯铜具有紫红色的金属光泽。 纯铜的密度8.92×103 kg/m3, 熔点1083.4±0.2 ℃,沸点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,稍硬、极坚韧、耐磨损,具有良好的延展性。

特别是,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IACS 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。

2. 铜与电动机的能效

节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针,也是当前一项极为紧迫的任务。我国政府在颁布的《节能中长期专项规划》中明确提出了2010 年节能的目标和发展重点,并提出了2020 的发展目标。这其中,中小型电动机的中期目标是能效水平由2000年的87% 提升到2010 年的90%~92%。

电动机作为风力发电机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力,被广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器等各个领域。据统计,工业发达的国家和较大的发展中国家,电动机的用电量在其总用电量中占有相当大的比重,其用电量目前已平均占世界各国的总用电量的50% 以上,占工业用电的70% 以上。据美国能源部统计,美国电动机的用电量占其工业用电量的2/3,占其全部用电量的1/2。而且,大多数国家的电力生产仍以火力发电为主,其生产过程中排出的CO2 等气体就成为地球温室效应气体的主要部分,对气候环境带来很大的影响。因此,大力开发高效、节能的新型电动机,对于应对世界能源危急和大气环境恶化、推动电动机技术与装备的科技进步、进一步提升电动机制造厂商的产品竞争力、扩大出口、促进电动机行业的发展、拉动国民经济的增长都具有十分重要的意义。

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:

PCu1 = 3 I12 R1

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EFF1。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 超超高效的能效标准。

3. 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,由于电动机的工作温度的降低,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。为了解决以上障碍,国际铜业协会从1994 年起就进行了相关的研究工作,并取得了一系列的进展。在中国,国际铜业协会联合云南铜业压铸科技有限公司和南阳防爆集团共同开展了铜转子商业化生产过程。目前已经开始商业化批量生产高质量的铸铜转子,目前已经为60 家客户生产了100 多种不同规格的高质量铸铜转子。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。

3.1 铸铜转子电动机效率明显高于铸铝转子电动机

举例说明:以2.2kW,4 极,50Hz 电动机为例,铸铜转子电动机的效率为86.5% 高于铸铝转子电动机的83%,而且,电机越小,对于效率的提升越明显。

3.2 铸铜转子电动机温升明显降低

温升对电动机有如下影响:

˙影响电动机使用寿命;

˙电动机的运行温度每降低10℃,使用寿命增加一倍;

˙铜转子电动机可以增加电动机的使用寿命

˙同时增加电气安全性,特别适合爆炸性的特殊环境。

3.3 电动机体积可减少15% 以上

采用铸铜转子的电动机相比同等效率采用铸铝转子的电动机的体积可以减小15% 左右。

3.4 重量减低20% 左右

一般而言,采用铸铜转子的电动机相比同等效率采用铸铝转子的电动机的重量可以降低20% 左右

3.5 节能和性价比优势

˙铸铜转子是生产高效电动机最经济可行的解决方案

˙可以有效降低生产高效电机的技术难度,从而降低制作成本

˙有效降低生产高效电机的材料成本

˙采用铸铜转子可以生产出体积更小的高效电动机

综上,铜转子电动机是一种高效超高效电动机的解决方案,在提高电动机能效的同时,还具有体积小,重量轻,温升低,可靠性高,成本低等一系列优势。国家近来来也加大了对于铜转子电动机这一高效节能电动机的支持推广力度。铜转子电动机技术被国家发改委列入国家重点节能技术推广目录(第二批);在国务院颁布的“十二五”节能环保产业发展规划中明确将示范推广铜转子电动机等高效节能电动机技术和设备 ;铜转子电动机技术被列入国家战略性新兴产业指导目录。

4. 铜转子在风力发电机领域应用分析

铸铜转子在电动机应用方面已经比较成熟。当前,随着人类社会对于清洁能源的重视程度不断提高,风电得到了迅猛的发展。铸铜转子电动机在风电方面的应用可以分为两个方面:应用在减速机、冷却泵、风扇等辅助设备的驱动电动机和小型风能的发

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电机:

由于铜转子电动机具有体积小、重量轻、效率高、可靠性好的特点,非常适用于风力发电设备中的减速机、水泵、风力机的驱动电动机。相比传统的铝转子电动机,采用铜转子电动机可以有效减轻电动机的体积和重量,提升运行效率,同时保持成本基本不变;用来替代永磁电动机,可以大大降低电动机的成本,同时保持效率基本不变,并大幅提高电动机的可靠性。目前,铜转子电动机在减速机上面的应用已经比较成熟。

当前,小型风力发电部分大部分是由永磁同步电机构成.但永磁材料在短路、高温和强烈振动等环境易发生失磁,故障时不能灭磁保护,在超风速等异常条件下,永磁磁极容易受到较大影响。永磁同步发电机的这些固有缺陷,使它很难满足系统提出的高可靠、免维护的性能要求。笼型异步电机结构简单、耐用、成本低、体积小、便于维护,在发生短路故障时可以自我保护。特别是随着电力电子技术和控制理论的进步,采用电力电子变换器代替传统电容器提供励磁,突破了电容器励磁调节困难的瓶颈,使笼型异步发电机在风力发电系统中更具有竞争力。

使用传统的铸铝转子电动机作为小型风力的发电机与永磁电动机相比,主要缺点在于效率比较低,而采用铸铜转子可以显著提高感应电动机的效率,因此,可以作为小型风力发电机的技术选择之一。目前,国际铜业协会已经在中国,越南以及欧洲协助相关厂商积极开展铸铜转子电动机在风电领域的应用研究。铸铜转子电动机必将在这个领域得到更加广泛的应用。

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