電機高效再制造及其應(yīng)用

電機高效再制造及其應(yīng)用摘要：再制造是利用專業(yè)的修復工藝或升級改造的技術(shù)手段，在原有廢舊機器設(shè)備的基礎(chǔ)上，將其再制造成具有品質(zhì)特性高于原先新品水平的一系列工程活動。本文對電機高效再制造及其應(yīng)用進行分析，以供參考。關(guān)鍵詞：電機；再制造；應(yīng)用引言電機是風機、水泵、機床、礦山機械、起重機械等各種設(shè)備的驅(qū)動裝置，廣泛應(yīng)用于采礦、冶金、化工、煤炭、建材、公用設(shè)施等行業(yè)，是用電量最大的電力機械設(shè)備。據(jù)權(quán)威統(tǒng)計，2011年，我國電機保有量約17億千瓦，總耗電量約3萬億千瓦時，占全社會總用電量的64%。我國電機能效水平總體仍然較低，電機效率平均水平比國外低3-5個百分點。低效電機的大量使用造成巨大的用電浪費。面對日趨緊張的能源形勢，提升我國電機能效水平勢在必行。1電機高效再制造具體方法介紹1.1普通電機1.保留原有的轉(zhuǎn)子鐵心，只對其繞組實施合理的設(shè)計變換。（2）對原有定子鐵心予以適當增長，將其更換成新定子鐵心，并對繞組的數(shù)據(jù)進行變換。1.2實際運行1.當電機負載為二次方負載時，如水泵與風機等，由于它的運行工況不是頻繁變化，而且流量的變化存在一定規(guī)律，所以可在符合負載壓力要求的情況下，采用雙速電機或多速電機。（2）如果負載的變化十分頻繁，而且經(jīng)常運行在空載狀態(tài)或輕載狀態(tài)，則可采用稀土永磁同步電機形式，這種電機無論是在空載還是輕載條件下，都有很高的效率及功率因數(shù)。2定轉(zhuǎn)子材料組合方式對再制造電機性能影響2.1概述定轉(zhuǎn)子鐵心密切影響電機綜合性能。非晶合金具有優(yōu)異的磁性，耐腐蝕性、耐磨性、高硬度、強度和韌性，高磁導率和機電耦合性能等。部分研究發(fā)現(xiàn)，非晶合金應(yīng)用于電機定子鐵心可以降低定子鐵耗從而提升電機效率，但隨負載率增大效率優(yōu)勢減小。非晶合金磁致伸縮系數(shù)大，鐵心疊壓系數(shù)低，導致電機電磁振動加大進而引起振動噪聲性能變差。可見，目前的研究主要將非晶合金材料應(yīng)用于定子鐵心，在降低鐵耗提高效率的同時，會引起電機振動加劇。但鮮有涉及將電機定轉(zhuǎn)子鐵心采用硅鋼和非晶合金兩種材料組合進行再制造和具體組合方式的探討，對電機的性能影響也需進一步進行研究。2.2再制造定轉(zhuǎn)子材料組合方式根據(jù)前期的研究成果，將電機定子鐵心采用兩種材料疊片混合疊壓，綜合考慮成本和效率時，硅鋼和非晶合金兩種材料按照1：1的比例混合疊壓較為理想。為充分利用原電機硅鋼片和提升其電磁性能，在前期研究成果基礎(chǔ)上，進一步研究硅鋼和非晶合金兩種材料組合應(yīng)用于轉(zhuǎn)子鐵心對再制造電機性能的影響，將轉(zhuǎn)子鐵心用硅鋼疊片和非晶疊片按1：1比例混合疊壓，設(shè)置5段，將硅鋼疊片設(shè)置在外側(cè)，使再制造電機的定轉(zhuǎn)子鐵心在軸向采用同種材料。3混合定子鐵心再制造電機三維溫度場分析3.1電機模型及參數(shù)以某型號車用8極48槽永磁同步電機為研究對象對其進行再制造，再制造方式是將舊電機進行合理拆卸，經(jīng)過清洗、檢測、修復等流程對可再制造使用的機殼、端蓋、轉(zhuǎn)子等繼續(xù)留用，更換定子鐵心和軸承等零部件，其中更換的定子鐵心是經(jīng)過高壓浸膠、切割成型等工藝流程制作成的非晶合金定子疊片與原電機硅鋼片軸向間隔混合疊壓而成。經(jīng)過前期研究，發(fā)現(xiàn)非晶合金比例與電機效率密切相關(guān)，非晶合金占比從0?50%時，電機效率的提升率不斷增大，在非晶合金比例高于50%后，提升率趨于穩(wěn)定，從再制造成本考慮，非晶合金的比例為50%匕匕較合適;且混合層數(shù)對電機性能影響較小，考慮到材料加工及成本問題，選取3層更為合適。此時再制造電機鐵耗只有原電機的48%，轉(zhuǎn)矩減小0.46%，電機效率比原電機提升0.72%。3.2溫度場計算結(jié)果根據(jù)上文給出的模型計算原電機和再制造電機額定運行狀態(tài)下的溫度場分布情況，由于電機結(jié)構(gòu)的對稱性電機整體溫度場沿軸向中心對稱分布，再制造電機和原電機的溫度變化規(guī)律基本一致，電機溫度最高點均出現(xiàn)在永磁體中間區(qū)域；原電機的最高溫度為348.65K，而混合定子鐵心再制造電機的最高溫度為343.15K，原電機的最高溫度要比混合定子再制造電機高5K左右，并且混合定子鐵心再制造電機中各部分的平均溫度相比于原電機均有不同幅度的降低。再制造電機溫度降低的原因在于混合定子鐵心中有50%的非晶合金材料，由于非晶合金的低鐵損特性，所以再制造電機的鐵耗較原電機降低了50%左右。電機運行過程中，鐵耗大部分都會轉(zhuǎn)換為熱量導致電機發(fā)熱，所以再制造電機的鐵耗大幅降低使得其平均溫度比原電機降低?；旌隙ㄗ予F心再制造電機與原電機的繞組和轉(zhuǎn)子溫度沿軸向變化與其他部件的變化規(guī)律不同，繞組溫度沿著軸向先降低再升高，兩個電機的繞組最高溫度均出現(xiàn)在端部；因為電機端部繞組伸出定子鐵心兩端與內(nèi)部空氣直接接觸，而槽內(nèi)繞組則與定子鐵心直接接觸，由于端部繞組處于密閉空間空氣流通質(zhì)量較差，所以端部繞組通過對流換熱散發(fā)的熱量小于槽內(nèi)繞組通過熱傳導傳遞的熱量，導致繞組端部溫度高于中間部分，但是差值僅為0.9K左右;而轉(zhuǎn)子端部通過對流作用散熱，但定轉(zhuǎn)子之間的氣隙阻礙了轉(zhuǎn)子徑向熱傳遞，故轉(zhuǎn)子中間區(qū)域溫度明顯高于兩端，且溫差值達到10K左右。4電機高效再制造過程中需要注意的問題（1）對舊電機進行再制造的過程中，很多固有尺寸是無法改變的，包括鐵心與槽形，對此，再制造方案的編制將受到一定程度的限制和影響。（2）不同廠家往往采用不同的設(shè)計裕度及鐵心材料，這就要求在實際的再制造過程中保證針對性。（3）由于舊的部件存在一定特殊性與復雜性，所以，必須仔細認真，切實加強制造過程的質(zhì)量控制。（4）在再制造過程中，需要用到很多技術(shù)標準較高的工藝方法，對此要盡可能減少制造件發(fā)生的損壞，以免造成不必要的經(jīng)濟損失。5電機再制造方案的設(shè)計鐵的損耗，轉(zhuǎn)化為鐵的熱能，導致電動機總熱量增加，運行效率降低，因此在制造階段鐵的損耗必須降到最低。硅片材料作為電動機能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵材料，通常與鐵損值較低的良好電磁鋼材材料兼容，從而有效地減少了電動機的損耗。6電機高效再制造應(yīng)用實例以某化工廠為例進行分析，該化工廠擬定對現(xiàn)有的水泵電機實施高效再制造，以此實現(xiàn)節(jié)能改造目的，該水泵電機的額定功率為132kW。電機的鐵心設(shè)計保持不變，繼續(xù)使用原有的轉(zhuǎn)子，將定子材料更換為冷軋硅鋼片，并利用高效電機定子沖片，對電機的繞組進行重新設(shè)計，并更換節(jié)能風扇。完成以上改造后，將其安裝在原工位上，在改造前后，水泵管路系統(tǒng)中閥門所在位置保持不變，對改造后系統(tǒng)實際用電情況進行測試與分析，結(jié)果為：原電機的額定功率為132kW，輸入有功功率為143.5kW，平均電流為231.5A，功率因數(shù)為0.89；完成高效再制造后，電機的額定功率保持不變，輸入有功功率減小7.0%，變?yōu)?33.4kW，平均電流減小15.3A，變?yōu)?16.2A，功率因數(shù)增加0.01，變?yōu)?.90。根據(jù)以上分析和測試結(jié)果，若水泵電機的年運行時間為3000h，則當電價取0.68元/kW?h時，每年都能節(jié)省2.06萬元的電費，本次對電機進行高效再制造的投資為2.0萬元左右，所以可能不用1年的時間就能回收成本。經(jīng)過高效再制造，電機節(jié)電率明顯提高，實現(xiàn)了預(yù)期的節(jié)能目標。結(jié)束語節(jié)能減排是政府近幾年工作的重點，工業(yè)節(jié)能又是節(jié)能減排工作的重中之重，電機系統(tǒng)節(jié)能又是工業(yè)節(jié)能的重要內(nèi)容，隨著電機能效提升計劃的推進，企業(yè)淘汰電機數(shù)量逐漸增多，用結(jié)構(gòu)相同的新硅鋼鐵心替換原電機定子鐵心后，顯著地降低了定子鐵耗，因此在節(jié)能方面將此類優(yōu)質(zhì)硅鋼材料應(yīng)用于電機的再制造具有很大的優(yōu)勢。電機高效再制造產(chǎn)業(yè)必將迎來一個發(fā)展的高峰，為國家循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展和節(jié)能減排工作作出更大的貢獻。參考文獻宋俊華.汽車發(fā)電機再制造技術(shù)工藝分析[J].中國設(shè)備工程，2019(19):154-156.宋守許，胡孟成,杜毅,羅潤東.混合定子鐵心再制造