鑄銅轉子電動機及其在風電領域應用淺析

文/ 國際銅業協會（中國）　梁棟　王大剛　周勝
　　摘　要：銅具有極其優異的導電性能，銅在電動機領域的應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域應用的一個成功案例，鑄銅轉子電動機具有效率高、材料成本低、重量輕、體積小、壽命長等諸多優點。本文介紹了鑄銅轉子電動機的優點以及在國內外的發展情況。通過分析比較，認為鑄銅轉子電動機在風電領域應用具有良好的發展機會。
　　1. 前言
　　銅， 英文名稱COPPER， 源自拉丁文Cuprum，是以產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。銅是人類最早發現使用的金屬之一，也是人類用于生產的第一種金屬，最初人們使用的只是存在于自然界中的天然單質銅，用石斧把它砍下來，便可以錘打成多種器物。隨著生產的發展，只是使用天然銅制造的生產工具就不敷應用了，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 價銅僅在少數不穩定的化合物中出現，電離能7.726 電子伏特。銅不僅是人類發現最早的金屬之一，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，銅的導電和導熱性除略遜于銀以外，是所有金屬中最好的。工程上，把退火純銅的導電性規定為100％， 其它材料與它對比進行標定，稱為IACS 值（國際退火銅標準值）。因為銅的導電性對微量雜質很敏感，所以在生產上可以用IACS 值作為銅純度的一個指標。高純銅的IACS 值可達 101.5％。高純鋁（99.996％）和工業純鋁（99.5％）的IACS 值分別為64.94％和59％。也就是說，在電氣工程應用中，銅材的導電性比鋁材高35％以上。
　　銅所具有獨特的導電性能，是鋁所不能代替的，這也是銅在電能供應及使用領域中大量應用的原因。從電能的產生、輸送、分配到最終使用過程中，銅都發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備－電動機能效提高方面的作用。
　　2. 銅與電動機的能效
　　節能是我國經濟和社會發展的一項長遠戰略方針，也是當前一項極為緊迫的任務。我國政府在頒布的《節能中長期專項規劃》中明確提出了2010 年節能的目標和發展重點，并提出了2020 的發展目標。這其中，中小型電動機的中期目標是能效水平由2000年的87% 提升到2010 年的90%~92%。
　　電動機作為風力發電機、水泵、壓縮機、機床等各種設備的動力，被廣泛應用于工業、商業、公用設施和家用電器等各個領域。據統計，工業發達的國家和較大的發展中國家，電動機的用電量在其總用電量中占有相當大的比重，其用電量目前已平均占世界各國的總用電量的50% 以上，占工業用電的70% 以上。據美國能源部統計，美國電動機的用電量占其工業用電量的2/3，占其全部用電量的1/2。而且，大多數國家的電力生產仍以火力發電為主，其生產過程中排出的CO2 等氣體就成為地球溫室效應氣體的主要部分，對氣候環境帶來很大的影響。因此，大力開發高效、節能的新型電動機，對于應對世界能源危急和大氣環境惡化、推動電動機技術與裝備的科技進步、進一步提升電動機制造廠商的產品競爭力、擴大出口、促進電動機行業的發展、拉動國民經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、轉子銅損、風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、轉子損耗方面發揮重要的作用。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大的比例。如何降低定子銅耗，對提高電動機的效率非常關鍵。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、加大每圈導線截面S 和降低導線電阻率ρ 來實現。由于銅所具有的極低的電阻率，因此絕大多數電動機都采用銅線來制作電動機的定子繞組。對于已經使用銅繞組的電動機而言，增大銅線截面是發展高效電機的一個關鍵措施。近年來己率先開發出來的一些高效電機與傳統電機相比，銅繞組的使用量增加25%～100%。
　　對于轉子損耗，目前絕大多數電動機的轉子都是鑄鋁轉子，如果使用鑄銅轉子替代目前鼠籠式三相異步電動機廣泛使用的鑄鋁轉子，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，從歐盟的能效標準EEF2，升高到更高的能效標準EFF1?；蛘?，從為普通感應電動機制定的EPACT（1992年美國聯邦能效法規）升級到NEMA（國家電氣制造商協會）Premium 超高效標準。針對鑄銅轉子的特性重新設計電動機的轉子和定子，可以最大限度的提高效率，以達到更高的甚至Super Premium 超超高效的能效標準。