鑄銅轉(zhuǎn)子電動機及其在風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用淺析

文/ 國際銅業(yè)協(xié)會（中國）　梁棟　王大剛　周勝
　　摘　要：銅具有極其優(yōu)異的導(dǎo)電性能，銅在電動機領(lǐng)域的應(yīng)用對于提高電動機的能效具有非常重要的意義。作為銅在高效電動機領(lǐng)域應(yīng)用的一個成功案例，鑄銅轉(zhuǎn)子電動機具有效率高、材料成本低、重量輕、體積小、壽命長等諸多優(yōu)點。本文介紹了鑄銅轉(zhuǎn)子電動機的優(yōu)點以及在國內(nèi)外的發(fā)展情況。通過分析比較，認(rèn)為鑄銅轉(zhuǎn)子電動機在風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用具有良好的發(fā)展機會。
　　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1083.4±0.2 ℃，沸點2567℃。常見化合價為+1 和+2（3 價銅僅在少數(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％， 其它材料與它對比進行標(biāo)定，稱為IACS 值（國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)值）。因為銅的導(dǎo)電性對微量雜質(zhì)很敏感，所以在生產(chǎn)上可以用IACS 值作為銅純度的一個指標(biāo)。高純銅的IACS 值可達 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電能使用的主要設(shè)備－電動機能效提高方面的作用。
　　2. 銅與電動機的能效
　　節(jié)能是我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的一項長遠戰(zhàn)略方針，也是當(dāng)前一項極為緊迫的任務(wù)。我國政府在頒布的《節(jié)能中長期專項規(guī)劃》中明確提出了2010 年節(jié)能的目標(biāo)和發(fā)展重點，并提出了2020 的發(fā)展目標(biāo)。這其中，中小型電動機的中期目標(biāo)是能效水平由2000年的87% 提升到2010 年的90%~92%。
　　電動機作為風(fēng)力發(fā)電機、水泵、壓縮機、機床等各種設(shè)備的動力，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領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，工業(yè)發(fā)達的國家和較大的發(fā)展中國家，電動機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的總用電量的50% 以上，占工業(yè)用電的70% 以上。據(jù)美國能源部統(tǒng)計，美國電動機的用電量占其工業(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)能的新型電動機，對于應(yīng)對世界能源危急和大氣環(huán)境惡化、推動電動機技術(shù)與裝備的科技進步、進一步提升電動機制造廠商的產(chǎn)品競爭力、擴大出口、促進電動機行業(yè)的發(fā)展、拉動國民經(jīng)濟的增長都具有十分重要的意義。
　　要想提高電動機的能效，就需要降低電動機的損耗，以目前使用最為普遍的三相交流異步電動機為例，電動機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， 它們占電動機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)子的銅損占電動機總損耗的很大一部分，而銅正可以在降低電動機定、轉(zhuǎn)子損耗方面發(fā)揮重要的作用。對于定子繞組銅損PCu1 主要為滿載時定子繞組在運行溫度下的電阻損耗。定子繞組銅損耗計算公式為：　
　　PCu1 = 3 I12 R1
　　定子銅耗在電動機損耗中占有相當(dāng)大的比例。如何降低定子銅耗，對提高電動機的效率非常關(guān)鍵。降低定子銅耗就是降低定子電阻R1 和定子電流I1。因為定子電阻R1=ρL /S，故降低定子電阻就是通過縮短線圈長度L、加大每圈導(dǎo)線截面S 和降低導(dǎo)線電阻率ρ 來實現(xiàn)。由于銅所具有的極低的電阻率，因此絕大多數(shù)電動機都采用銅線來制作電動機的定子繞組。對于已經(jīng)使用銅繞組的電動機而言，增大銅線截面是發(fā)展高效電機的一個關(guān)鍵措施。近年來己率先開發(fā)出來的一些高效電機與傳統(tǒng)電機相比，銅繞組的使用量增加25%～100%。
　　對于轉(zhuǎn)子損耗，目前絕大多數(shù)電動機的轉(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機廣泛使用的鑄鋁轉(zhuǎn)子，電動機的總損耗將可以顯著下降，從而提高電動機的整體效率。使用鑄銅轉(zhuǎn)子可以制造出高效甚至超高效的電動機。在同樣的電動機尺寸條件下，可以達到更高的電機能效水平。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)電動機制定的EPACT（1992年美國聯(lián)邦能效法規(guī)）升級到NEMA（國家電氣制造商協(xié)會）Premium 超高效標(biāo)準(zhǔn)。針對鑄銅轉(zhuǎn)子的特性重新設(shè)計電動機的轉(zhuǎn)子和定子，可以最大限度的提高效率，以達到更高的甚至Super Premium 超超高效的能效標(biāo)準(zhǔn)。