19_DABALA_ZAPASNIKmp..

Nr 62
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 62
Studia i Materiały
Nr 28
2008
maszyny elektryczne, silniki indukcyjne klatkowe,
badania silników, miedziana odlewana klatka wirnika
Konrad DĄBAŁA*, Ryszard ZAPAŚNIK*
BADANIA PORÓWNAWCZE SILNIKÓW INDUKCYJNYCH
Z MIEDZIANĄ I ALUMINIOWĄ KLATKĄ WIRNIKA
W referacie przedstawiono aktualne wyniki badań przedstawione w literaturze dotyczące silników
indukcyjnych z miedzianą, zalewana klatką wirnika i porównanie z silnikami z wirnikami z klatką
aluminiową. Przeprowadzono badania na wybranych dwóch grupach silników: z wirnikami z klatką
miedziana i aluminiową. Porównano otrzymane wyniki badań z wynikami przedstawionymi
w literaturze.
1. WPROWADZENIE
Nowym światowym kierunkiem postępu w budowie silników indukcyjnych jest
zastępowanie powszechnie dotychczas stosowanej klatki wirnika odlanej z aluminium
klatką odlaną z miedzi. Zastąpienie w klatce wirnika aluminium miedzią – materiałem
o konduktywności prawie dwukrotnie większej – stwarza znacząco lepsze warunki dla
przemiany energii w silniku, co może być w różny sposób zdyskontowane na korzyść
silnika. Podstawowym efektem zastosowania miedzi w miejsce aluminium jako materiału, z którego odlewana jest klatka wirnika jest zmniejszenie strat w silniku, co
przekłada się na liczący się technicznie i handlowo wzrost sprawności silnika. Ma to
swoje odbicie w dość bogatej literaturze [1–21]. Determinujące sprawność silnika
jego straty całkowite – równe różnicy mocy pobieranej z sieci i oddawanej na wale –
są sumą pięciu składników:
a) w uzwojeniu stojana
b) w rdzeniu stojana
c) w klatce wirnika
d) mechaniczne (wentylacja i tarcie)
e) dodatkowe
__________
* Instytut Elektrotechniki, Zakład Maszyn Elektrycznych, Warszawa
125
Zastosowanie miedzi zamiast aluminium do odlewania klatek wirników w sposób
bezpośredni (większa konduktywność) zmniejsza składnik c) strat oraz w sposób pośredni składnik d) (przy mniejszych stratach w klatce wirnika silnik mniej się nagrzewa i wystarcza mniej intensywna wentylacja). W literaturze spotyka się również
stwierdzenia, że w silnikach z klatką miedzianą mniejszy jest również w porównaniu
z silnikami z klatką aluminiową składnik e) – straty dodatkowe.
W publikacji [1] odnośnie strat dodatkowych w silnikach indukcyjnych autorzy
stwierdzają, że na ich wartość ma wpływ porowatość i niemetaliczne zanieczyszczenia w strukturze prętów klatki. Ponieważ – jak oni twierdzą – przy odlewaniu klatki
miedzianej łatwiej jest uzyskać wyższą pod tym względem jakość odlewu, istnieją
potencjalne możliwości zmniejszenia w silnikach z klatką miedzianą składnika strat
dodatkowych. Na poparcie tej tezy autorzy przytaczają wyniki badań przeprowadzonych na kilku silnikach, które wykazały, że w silnikach z klatką miedzianą uzyskano
w porównaniu z silnikami z klatką aluminiową zmniejszenie strat dodatkowych
o ponad 20%. Również w innych publikacjach spotyka się stwierdzenia o stratach
dodatkowych w silnikach z klatką miedzianą mniejszych w porównaniu z silnikami
z klatką aluminiową, bez wyjaśniania przyczyny tych rezultatów.
Odmienne wyniki przyniosły badania przeprowadzone we Włoszech na silnikach
o mocy 15 kW. i 3 kW [10]. W silniku 15 kW z klatką miedzianą pomierzone straty
dodatkowe wynosiły 256 W i były wyższe niż pomierzone w silniku z klatką aluminiową – 238 W, natomiast w silniku 3 kW zmiana materiału klatki wirnika nie wpłynęła na wartość strat dodatkowych.
Należy dodać, że spotyka się również obiegowe opinie, według których brak
w przypadku klatek miedzianych warstwy izolacji tlenkowej między prętami klatki
i powierzchnią żłobków wirnika – która tworzy się samorodnie w przypadku klatki
aluminiowej – może przyczyniać się do wzrostu strat dodatkowych w silniku z klatką
miedzianą.
Poza wyższą sprawnością, w literaturze wymieniane są również inne walory silników z klatką odlaną z miedzi w porównaniu z silnikami z klatką aluminiową – niższe
nagrzewanie, co wpływa na większą trwałość silnika, mniejszy hałas, niższy poziom
drgań.
Trzeba mieć świadomość, że wiele prezentowanych w publikacjach stwierdzeń na
temat właściwości i zalet silników z klatką wirnika odlaną z miedzi nie można traktować bezkrytycznie ze względu na często zbyt jednostronną i merytorycznie płytką
ocenę właściwości takich silników dyktowaną względami promocyjnymi inspirowanymi m.in. przez światowe lobby miedziowe.
W tej sytuacji istnieje potrzeba poznania rzeczywistych właściwości tego rodzaju
silników z miedzianą odlewaną klatką wirnika w oparciu o wiarygodne badania porównawcze. Wyniki tego rodzaju badań zawiera ten referat.
125
126
2. OBIEKTY BADAŃ
Obiektami badań były silniki z miedzianą odlewaną klatką wirnika: o mocy 4 kW,
n = 1460 obr/min, (typ DVE 112M4) – 2 egz. oraz o mocy 11 kW, n = 1460 obr/min.
(typ DVE 160M4) – 1 egz. zakupione w niemieckiej firmie SEW-Eurodrive
w Bruchsalu, która to firma wirniki do tych silników sprowadza w ramach kooperacji
z wyspecjalizowanej w odlewach z miedzi francuskiej firmy FAVI.
Odpowiednikami pod względem mocy znamionowej i liczby biegunów wymienionych wyżej silników były silniki z klatką aluminiową produkcji Fabryki Maszyn Elektrycznych INDUKTA: o mocy 4 kW, n = 1460 obr/min (typ SEE 112M-4) – 2 egz. oraz o
mocy 11 kW, n =1465 obr/min (typ SEE 160M-4) – 1 egz.
3. BADANIA
Badania podstawowe silników obejmowały zakres badań pełnych zgodnie z wymaganiami norm: PN-EN 60034-1; PN-EN 60034-2; PN-EN 60034-12; PN-E-067551; PN-E-06755-3. Badania te miały na celu stwierdzenie poprawności wykonania
silników oraz zgodności ich rzeczywistych parametrów z danymi znamionowymi.
Przeprowadzone badania wykazały, że wszystkie silniki są wykonane poprawnie a ich
rzeczywiste parametry (uwzględniając dopuszczalne tolerancje) są zgodne z danymi
znamionowymi. Ponadto stwierdzono, że rzeczywiste wartości sprawności silników
takiej samej mocy z klatką miedzianą i silników z klatką aluminiową są praktycznie
jednakowe, mimo że wartości znamionowe sprawności tych silników nieco się różnią.
Zakres porównawczych badań specjalistycznych obejmował:
● bieg jałowy bez uszczelek (zgodnie z zaleceniami CEMEP na podstawie tak
przeprowadzonego biegu jałowego silnika określa się składnik strat mechanicznych
przy wyznaczaniu sprawności silników zaliczanych do odpowiednich europejskich
klas sprawności – Eff1, Eff2, Eff3)
● nagrzewanie wg IEC 61972
● wyznaczenie sprawności różnymi metodami
– metoda B wg IEEE 112
– wg IEC 61972
– strat poszczególnych wg IEC 60034-2
– wg CEMEP;
● wyznaczenie strat dodatkowych obciążeniowych;
● rozdział strat jałowych w rdzeniu na podstawowe i dodatkowe jałowe;
● pomiary poziomu dźwięku w różnych stanach pracy silnika.
127
4. WNIOSKI PODSUMOWUJĄCE
Na podstawie przeprowadzonych badań można sformułować następujące wnioski
dotyczące porównania silników z miedzianą odlewaną klatką wirnika i z klatką aluminiową.
4.1. PARAMETRY ENERGETYCZNE
Sprawność (wyznaczona metodą IEC 61972) jest w silnikach o mocy 4 kW z klatką miedzianą praktycznie taka sama jak w silnikach takiej mocy z klatką aluminiową,
natomiast silnik mocy 11 kW z klatką miedzianą ma sprawność nawet nieco niższą
niż silnik takiej samej mocy z klatką aluminiową
Współczynnik mocy (parametr energetyczny o mniejszym znaczeniu) jest w silnikach mocy 4 kW z klatką miedzianą wyraźnie większy niż w silnikach takiej samej
mocy z klatką aluminiową, natomiast w silniku o mocy 11 kW z klatką miedzianą
współczynnik ten jest mniejszy niż w silniku takiej samej mocy z klatką aluminiową.
Wyniki te można skomentować w ten sposób, że pod względem wartości podstawowego parametru energetycznego silnika, jakim jest jego sprawność, produkowane
aktualnie w zachodniej europie silniki z klatką miedzianą nie tylko, że nie przewyższają, ale nawet ustępują produkowanym w kraju silnikom z klatką aluminiową (seria
SEE).
4.2. PARAMETRY ROZRUCHOWE
Krotność momentu rozruchowego silników takiej samej mocy z klatką miedzianą
i z klatką aluminiową jest praktycznie jednakowa.
Krotność prądu rozruchowego (moc rozruchowa) jest w silnikach z klatką miedzianą mniejsza niż w silnikach z klatką aluminiową, przy czym jest to wyraźniejsze
w silnikach 11 kW.
Wyniki te można skomentować w ten sposób, że pod względem dobroci parametrów rozruchowych silniki z klatką miedzianą nie ustępują a nawet przewyższają silniki z klatką aluminiową, co w jakimś stopniu przeczy rozpowszechnionym opiniom
o trudnościach z dotrzymaniem w silnikach z klatką miedzianą wymagań normalizacyjnych w zakresie parametrów rozruchowych silnika.
4.3. NAGRZEWANIE
Pod względem nagrzewania się silniki z klatką miedzianą prezentują praktycznie
taki sam niski poziom jak silniki z klatką aluminiową świadczący o istnieniu w silnikach dużej rezerwy cieplnej. Jest to powszechna cecha wszystkich silników o wysokich sprawnościach. Rezerwa taka stwarza potencjalne możliwości zmniejszenia in-
127
128
tensywności chłodzenia silnika przez zmniejszenie niezbędnego wydatku powietrza
chłodzącego wytwarzanego przez wentylator silnika, a więc zmniejszenia strat na
wentylację, co prowadzi do dalszego podwyższenia sprawności silnika.
4.4. MOMENT BEZWŁADNOŚCI
W silnikach mocy 4 kW z klatką miedzianą moment bezwładności jest większy niż
w silnikach takiej samej mocy z klatką aluminiową. Inaczej sytuacja wygląda w silnikach mocy 11 kW, gdzie w silniku z klatką miedzianą moment bezwładności jest
mniejszy niż w silniku z klatką aluminiową.
4.5. DRGANIA
W silnikach o mocy 4 kW poziom drgań w przypadku klatek miedzianych jest
praktycznie taki sam jak w przypadku klatek aluminiowych. Natomiast w silniku
o mocy 11 kW z klatką miedzianą poziom drgań jest dwukrotnie wyższy niż w silniku
takiej samej mocy z klatką aluminiową.
Należy jednak dodać, że o ile silniki 4 kW z klatką miedzianą i klatką aluminiową
mają podobną strukturę materiałową obudowy – kadłuby aluminiowe, tarcze łożyskowe żeliwne, to silnik 11 kW z klatką miedzianą ma kadłub aluminiowy i tarcze
łożyskowe żeliwne a silnik 11 kW z klatką aluminiową ma żeliwny kadłub i żeliwne
tarcze łożyskowe. Różna struktura materiałowa obudowy porównywalnych silników
o mocy 11 kW może mieć wpływ na podatność silników na siły wymuszające drgania.
4.6. HAŁAS
W silnikach o mocy 4 kW z klatką miedzianą poziom dźwięku jest wyraźnie wyższy (nawet o 5 dB) niż w silnikach takiej mocy z klatką aluminiową, we wszystkich
stanach pracy silnika – bieg jałowy przy napięciu znamionowym, bieg jałowy przy
napięciu obniżonym do 100 V, przy obciążeniu znamionowym silnika, przy obciążeniu znamionowym i zdjętym wentylatorze.
W silnikach o mocy 11 kW relacje między poziomem dźwięku silnika z klatką
miedzianą i silnika z klatką są różne, zależne od stanu pracy silnika – przy biegu jałowym silnik z klatką miedzianą jest mniej hałaśliwy i bardziej hałaśliwy przy obciążeniu.
4.6. STRATY DODATKOWE
Straty dodatkowe wyznaczone wg IEC 61972 (IEEE 112) są w silnikach o mocy 4
kW z klatką miedzianą i z klatką aluminiową praktycznie jednakowe, natomiast
w silniku 11 kW z klatką miedzianą straty dodatkowe są o 50 %większe niż w silniku
takiej mocy z klatką aluminiową.
129
Biorąc jeszcze pod uwagę wyniki specjalistycznych badań rezystancji przejścia
pakiet–pręt w obydwu rodzajach wirnika [22, 23], należy stwierdzić, że nie potwierdzają się spotykane w literaturze opinie, że silniki z klatką miedzianą wyróżniają się
małymi stratami dodatkowymi.
LITERATURA
[1] BRUSH E.F., COWIE J.G., PETERS D.T., VANSON D.J., Die-Cast Copper Motor Rotors: Motor
Test Results, Copper Compared to Aluminum. Energy Efficiency Improvements in Electric Motors
and Drives. Springer Verlag, 2000.
[2] PARASILITI F., VILLANI M., Design of High Efficiency Induction Motors with Die-Casting Copper Rotors. Ibid.
[3] PARIS C.H., WALTI O., Stray-Load Losses Analysis in Copper Squirrel Cage Induction Machine.
Ibid.
[4] Neue Energiesparmotoren Reihen DTE und DVE http://presse.sew.de/1280.htm
[5] Energiesparmotoren von SEW-EURODRIVE EFF1, EFF2 und andere.EURODRIVE 0918 0001/0303.
[6] BRUSH E.F., PETERS D.T., COWIE J.G., DOPPELBAUER M., KLIMICH R., Recent advances in
Development of the Die-cast Copper Rotor Motor. 16th International Conference on Electrical Machines ICEM 2004 5–8 September 2004, Cracow – Poland. Conference Proceeding CD no.589.
[7] DOPPELBAUER M., Kompaktere Energiesparmotoren dank Kupfertechnologie. www.pua24.net
[8] ZAPAŚNIK R., Silniki z odlewaną miedzianą klatką wirnika. Nowa Elektrotechnika 1. 2004.
[9] CHIRICOZZI E., PARASILITI F., VILLANI M., New Materials and Innovative Technologies to
Improve the Efficiency of Three-phase Induction Motors. A Case study. 16th International Conference on Electrical Machines ICEM 2004 5–8 September 2004, Cracow – Poland. Conference Proceeding CD, No. 146
[10] PARASILITI F., VILLANI M., PARIS C., WALTI O., SONGINI G., NOVELLO A., ROSSI T.,
Three-phase Induction Motor Efficiency Improvements with Die-CastCopper Rotor Cage and Premium Steel. SPEEDAM 2004 June 16th–18th Capri (Italy)
[11] PARASILITI F., Design Strategies, New Materials and Technologies to Improve Induction Motors
Efficiency. Proceedings of Electrotechnical Institute, Issue 223, 2005.
[12] BABYAK R., Motor Design: Copper Cages, Die-Cast Copper Rotors Enable New Advances in
Motor Technology. htpp://www. ammagazine.com/CDA/ArticleInformation/features/B…
[13] ZAPAŚNIK R., Silniki indukcyjne z miedzianą odlewaną klatką wirnika. Zeszyty Problemowe Komel nr 71/2005
[14] http://automation.usa.siemens.com/motors/product/mtnema.html
[15] http://www.automation.siemens.com/sd/motoren/html_76/nema_new.htm
[16] KLIMMICH R., DOPPELBAUER M., PETERS D.T., COWIE J., G. BRUSH E.F., Die-cast Copper Rotor Motors via Simple Substitution and Motor Redesign for Copper. 17th International Conference on Electrical Machines. ICEM 2006. Chania, Crete Island, Greece. September 2–5 2006.
Conference Proceeding CD, No. 358
[17] HAN P-W., CHUN Y-D., KOO D-H., Improving Three-Phase Induction Motor Efficiency by the
optimized Design with Copper Rotor Cage. 17th International Conference on Electrical Machines.
ICEM 2006. Chania, Crete Island, Greece. September 2–5 2006. Conference Proceeding CD, No. 586
[18] JAŻDZYŃSKI W., Optimum Designed Induction Motors with Die-Cast Aluminum and Copper
Cages – a Comparative Study. 17th International Conference on Electrical Machines. ICEM 2006.
Chania, Crete Island, Greece. September 2–5 2006. Conference Proceeding CD, No. 464
129
130
[19] PETERS D.T., and others, Performance of Motors with Die-cast Copper Rotors in Industrial and
Agricultural Pumping Applications. http://www.copper-motor-rotor.org/pdf/IEMDC_Final.pdf
[20] Motors with Copper Rotors Can Cost Less to Produce http://www.copper-motorrotor.org/update/august_05/topstory_cost01.html
[21] Tests Show Mass-Produced Copper-Rotor Motors More Efficient Than Nameplate Claims. Copper
Motor Rotor. Volume 6, Issue 3, November 2006.
[22] DĄBAŁA K., Modified Method to Determine Rotor Bar-Iron Resistance in Three-Phase Copper
Casted Squirrel-Cage Induction Motors. 17th International Conference on Electrical Machines. ICEM
2006. Chania, Crete Island, Greece. September 2–5 2006. Conference Proceeding CD, No. 230
[23] Dąbała K. Rezystancja przejścia pakiet–pręt w wirnikach z klatką miedzianą. Proceedings of XLII
International Symposium on Electrical Machines (SME 2006), Kraków, 3–6 lipca 2006, s. 327–330.
COMPARATIVE TESTS OF INDUCTION MOTORS WITH COPPER
AND ALUMINIUM ROTOR CAGE
Present literature results of comparative tests of induction machines with copper-casted rotor cage
and aluminium-casted rotor cage are presented in the paper. There were done comparative test of two
groups of motors: with copper-casted cage rotors and with aluminium-casted cage rotors. There was done
a comparison between obtained and literature results.