鑄銅轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)及其在風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用淺析

文/ 國(guó)際銅業(yè)協(xié)會(huì)（中國(guó)）　梁棟　王大剛　周勝
　　摘　要：銅具有極其優(yōu)異的導(dǎo)電性能，銅在電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)于提高電動(dòng)機(jī)的能效具有非常重要的意義。作為銅在高效電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)成功案例，鑄銅轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)具有效率高、材料成本低、重量輕、體積小、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了鑄銅轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)以及在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況。通過分析比較，認(rèn)為鑄銅轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)在風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用具有良好的發(fā)展機(jī)會(huì)。
　　1. 前言
　　銅， 英文名稱COPPER， 源自拉丁文Cuprum，是以產(chǎn)銅聞名的塞浦路斯島的古名。西方傳說，古代地中海的CYPRUS 島是出產(chǎn)銅的地方，因而由此得到銅的拉丁名稱CUPRUM 和銅的元素符號(hào)Cu。銅是人類最早發(fā)現(xiàn)使用的金屬之一，也是人類用于生產(chǎn)的第一種金屬，最初人們使用的只是存在于自然界中的天然單質(zhì)銅，用石斧把它砍下來，便可以錘打成多種器物。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，只是使用天然銅制造的生產(chǎn)工具就不敷應(yīng)用了，從而促使人們找到了從銅礦中取得銅的方法。含銅的礦物比較多見，大多具有鮮艷而引人注目的顏色，例如：金黃色的黃銅礦CuFeS₂，鮮綠色的孔雀石CuCO₃·Cu(OH)₂，深藍(lán)色的石青2CuCO₃·Cu(OH)₂ 等，把這些礦石在空氣中焙燒后形成氧化銅CuO，再用碳還原，就得到金屬銅。
　　純銅具有紫紅色的金屬光澤。 純銅的密度8.92×103 kg/m³, 熔點(diǎn)1083.4±0.2 ℃，沸點(diǎn)2567℃。常見化合價(jià)為+1 和+2（3 價(jià)銅僅在少數(shù)不穩(wěn)定的化合物中出現(xiàn)，電離能7.726 電子伏特。銅不僅是人類發(fā)現(xiàn)最早的金屬之一，也是最好的純金屬之一，稍硬、極堅(jiān)韌、耐磨損，具有良好的延展性。
　　特別是，銅的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性除略遜于銀以外，是所有金屬中最好的。工程上，把退火純銅的導(dǎo)電性規(guī)定為100％， 其它材料與它對(duì)比進(jìn)行標(biāo)定，稱為IACS 值（國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)值）。因?yàn)殂~的導(dǎo)電性對(duì)微量雜質(zhì)很敏感，所以在生產(chǎn)上可以用IACS 值作為銅純度的一個(gè)指標(biāo)。高純銅的IACS 值可達(dá) 101.5％。高純鋁（99.996％）和工業(yè)純鋁（99.5％）的IACS 值分別為64.94％和59％。也就是說，在電氣工程應(yīng)用中，銅材的導(dǎo)電性比鋁材高35％以上。
　　銅所具有獨(dú)特的導(dǎo)電性能，是鋁所不能代替的，這也是銅在電能供應(yīng)及使用領(lǐng)域中大量應(yīng)用的原因。從電能的產(chǎn)生、輸送、分配到最終使用過程中，銅都發(fā)揮著非常重要的作用。本文將著重討論銅對(duì)電能使用的主要設(shè)備－電動(dòng)機(jī)能效提高方面的作用。
　　2. 銅與電動(dòng)機(jī)的能效
　　節(jié)能是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針，也是當(dāng)前一項(xiàng)極為緊迫的任務(wù)。我國(guó)政府在頒布的《節(jié)能中長(zhǎng)期專項(xiàng)規(guī)劃》中明確提出了2010 年節(jié)能的目標(biāo)和發(fā)展重點(diǎn)，并提出了2020 的發(fā)展目標(biāo)。這其中，中小型電動(dòng)機(jī)的中期目標(biāo)是能效水平由2000年的87% 提升到2010 年的90%~92%。
　　電動(dòng)機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、機(jī)床等各種設(shè)備的動(dòng)力，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、公用設(shè)施和家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家和較大的發(fā)展中國(guó)家，電動(dòng)機(jī)的用電量在其總用電量中占有相當(dāng)大的比重，其用電量目前已平均占世界各國(guó)的總用電量的50% 以上，占工業(yè)用電的70% 以上。據(jù)美國(guó)能源部統(tǒng)計(jì)，美國(guó)電動(dòng)機(jī)的用電量占其工業(yè)用電量的2/3，占其全部用電量的1/2。而且，大多數(shù)國(guó)家的電力生產(chǎn)仍以火力發(fā)電為主，其生產(chǎn)過程中排出的CO2 等氣體就成為地球溫室效應(yīng)氣體的主要部分，對(duì)氣候環(huán)境帶來很大的影響。因此，大力開發(fā)高效、節(jié)能的新型電動(dòng)機(jī)，對(duì)于應(yīng)對(duì)世界能源危急和大氣環(huán)境惡化、推動(dòng)電動(dòng)機(jī)技術(shù)與裝備的科技進(jìn)步、進(jìn)一步提升電動(dòng)機(jī)制造廠商的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、擴(kuò)大出口、促進(jìn)電動(dòng)機(jī)行業(yè)的發(fā)展、拉動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)都具有十分重要的意義。
　　要想提高電動(dòng)機(jī)的能效，就需要降低電動(dòng)機(jī)的損耗，以目前使用最為普遍的三相交流異步電動(dòng)機(jī)為例，電動(dòng)機(jī)的損耗主要包括鐵心損耗，定、轉(zhuǎn)子銅損、風(fēng)摩損耗以及雜散損耗， 它們占電動(dòng)機(jī)總損耗的比例以及主要影響因素如表1 所示。

　　從表中可以看出，定、轉(zhuǎn)子的銅損占電動(dòng)機(jī)總損耗的很大一部分，而銅正可以在降低電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子損耗方面發(fā)揮重要的作用。對(duì)于定子繞組銅損PCu1 主要為滿載時(shí)定子繞組在運(yùn)行溫度下的電阻損耗。定子繞組銅損耗計(jì)算公式為：　
　　PCu1 = 3 I12 R1
　　定子銅耗在電動(dòng)機(jī)損耗中占有相當(dāng)大的比例。如何降低定子銅耗，對(duì)提高電動(dòng)機(jī)的效率非常關(guān)鍵。降低定子銅耗就是降低定子電阻R1 和定子電流I1。因?yàn)槎ㄗ与娮鑂1=ρL /S，故降低定子電阻就是通過縮短線圈長(zhǎng)度L、加大每圈導(dǎo)線截面S 和降低導(dǎo)線電阻率ρ 來實(shí)現(xiàn)。由于銅所具有的極低的電阻率，因此絕大多數(shù)電動(dòng)機(jī)都采用銅線來制作電動(dòng)機(jī)的定子繞組。對(duì)于已經(jīng)使用銅繞組的電動(dòng)機(jī)而言，增大銅線截面是發(fā)展高效電機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵措施。近年來己率先開發(fā)出來的一些高效電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相比，銅繞組的使用量增加25%～100%。
　　對(duì)于轉(zhuǎn)子損耗，目前絕大多數(shù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子都是鑄鋁轉(zhuǎn)子，如果使用鑄銅轉(zhuǎn)子替代目前鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)廣泛使用的鑄鋁轉(zhuǎn)子，電動(dòng)機(jī)的總損耗將可以顯著下降，從而提高電動(dòng)機(jī)的整體效率。使用鑄銅轉(zhuǎn)子可以制造出高效甚至超高效的電動(dòng)機(jī)。在同樣的電動(dòng)機(jī)尺寸條件下，可以達(dá)到更高的電機(jī)能效水平。例如，從歐盟的能效標(biāo)準(zhǔn)EEF2，升高到更高的能效標(biāo)準(zhǔn)EFF1。或者，從為普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)制定的EPACT（1992年美國(guó)聯(lián)邦能效法規(guī)）升級(jí)到NEMA（國(guó)家電氣制造商協(xié)會(huì)）Premium 超高效標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)鑄銅轉(zhuǎn)子的特性重新設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子，可以最大限度的提高效率，以達(dá)到更高的甚至Super Premium 超超高效的能效標(biāo)準(zhǔn)。