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自2021年6月1日起，我國正式實(shí)施最新的電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)《GB18613-2020電動(dòng)機(jī)能效限定及能效等級(jí)》。本標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后，三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值達(dá)不到IE3的電動(dòng)機(jī)不得再生產(chǎn)、銷售和采購。
去年年底，工信部和市場(chǎng)監(jiān)管總局聯(lián)合發(fā)布了《電機(jī)能效提升計(jì)劃（2021-2023年）》。文件中特別強(qiáng)調(diào)，到2023年，高效節(jié)能電機(jī)年產(chǎn)量達(dá)到1.7億千瓦，在用高效節(jié)能電機(jī)占比達(dá)到20%以上，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電490億千瓦時(shí)，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1500萬噸，減少二氧化碳排放2800萬噸。
因此，電機(jī)企業(yè)要在技術(shù)、設(shè)備、工藝、材料、銷售等方面做好充分準(zhǔn)備。
那么，高效電機(jī)有哪些技術(shù)路線？目前，主要有五條技術(shù)路線：
它是一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)。它是一種工業(yè)電機(jī)，功率范圍從幾瓦到幾萬千瓦，應(yīng)用范圍很廣。主要用于風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、機(jī)床、輕工和礦山機(jī)械、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的脫粒機(jī)和研磨機(jī)、農(nóng)副產(chǎn)品中的加工機(jī)械等。
圖：YE4系列三相異步電動(dòng)機(jī)(來源：華力集團(tuán)官網(wǎng))
其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，價(jià)格低廉，運(yùn)行可靠，經(jīng)久耐用，運(yùn)行效率高，鑄鋁轉(zhuǎn)子，設(shè)計(jì)難度小，產(chǎn)業(yè)鏈成熟，規(guī)格齊全等。缺點(diǎn)是功率因數(shù)差，總是小于1；目前，它不能經(jīng)濟(jì)地大范圍平滑調(diào)速。
因此，三相異步電動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)應(yīng)用是在恒速的情況下，但現(xiàn)在越來越多的三相異步電動(dòng)機(jī)使用變頻器(VFD)或變速驅(qū)動(dòng)。變頻器可以根據(jù)頻率調(diào)整輸出電壓。如果應(yīng)用在離心風(fēng)機(jī)、泵或壓縮機(jī)上，可以達(dá)到和感應(yīng)電機(jī)一樣節(jié)能的效果。
目前高能效IE4以上的三相異步電機(jī)有YE4、YE5系列等。也就是說，需要開發(fā)YE4和YE5系列三相異步電動(dòng)機(jī)。
二、鑄銅轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)。其實(shí)也是一種三相異步電機(jī)，只是轉(zhuǎn)子是鑄銅的。因?yàn)殂~的電阻率比鋁低，所以會(huì)降低轉(zhuǎn)子的電阻，從而降低轉(zhuǎn)子損耗，提高電機(jī)的效率。
但也帶來了一個(gè)問題，就是對(duì)鑄造技術(shù)和設(shè)備的要求更高。目前IE4標(biāo)準(zhǔn)以上的鑄銅轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)有YZTE4系列等。
三是自起動(dòng)永磁同步電機(jī)。該系列電機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子采用鑄鋁或銅排焊接，設(shè)計(jì)難度大，產(chǎn)業(yè)鏈成熟，成本高，規(guī)格齊全。缺點(diǎn)是起步?jīng)_擊大，速度無法調(diào)節(jié)。
目前該系列IE4標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)為TYE4系列自起動(dòng)永磁同步電機(jī)。
四頻變速永磁同步電機(jī)，又稱BLDC電機(jī)。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子有永磁體，但沒有導(dǎo)桿。它最大的優(yōu)勢(shì)是免維護(hù)，效率高，設(shè)計(jì)難度一般，產(chǎn)業(yè)鏈成熟，規(guī)格齊全。但是因?yàn)樾枰渲每刂破?，成本比較高，經(jīng)濟(jì)性差。
圖：變頻永磁同步電機(jī)
這種電機(jī)也是近幾年的熱點(diǎn)，很多企業(yè)都在做，尤其是半導(dǎo)體企業(yè)更加重視。因?yàn)镻MSM的控制需要大量的芯片產(chǎn)品，比如MCU、DSP等微處理器，MOSFET、IGBT等功率器件，傳感器等等。
當(dāng)然，除了它的優(yōu)勢(shì)，永磁同步電機(jī)，或BLDC電機(jī)，也有一些發(fā)展瓶頸要面對(duì)，如功率密度，材料，和生產(chǎn)技術(shù)。
五是同步磁阻電機(jī)。它的工作原理是利用轉(zhuǎn)子不均勻磁阻產(chǎn)生的扭矩。轉(zhuǎn)子由鐵磁材料和非鐵磁材料組成。沒有永久磁鐵，也沒有繞組。這是其中之一
另外，同步磁阻電機(jī)的控制策略與永磁同步電機(jī)非常相似，可以采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。
盡管同步磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)難度更大，但它可以輕松滿足IE4甚至IE5標(biāo)準(zhǔn)。
以上是IE4及以上電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的五大主要技術(shù)路線。當(dāng)然，為了實(shí)現(xiàn)更高效電機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，需要開發(fā)上游關(guān)鍵材料，如絕緣材料、冷軋硅鋼片等；設(shè)備(主要是沖床)，下游產(chǎn)品如風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等。
也就是說，我們需要優(yōu)化電機(jī)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，從而提高高效電機(jī)產(chǎn)品的開發(fā)和供應(yīng)能力。作為一個(gè)工業(yè)大國，電機(jī)產(chǎn)品在很大程度上取決于國家的發(fā)展速度和產(chǎn)業(yè)政策。因此，如何抓住市場(chǎng)機(jī)遇，及時(shí)調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，開發(fā)適銷對(duì)路的產(chǎn)品，選擇差異化的節(jié)能電機(jī)產(chǎn)品，遵循國家產(chǎn)業(yè)政策是關(guān)鍵。從全球來看，電機(jī)行業(yè)正朝著高效節(jié)能的方向發(fā)展，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
提高電機(jī)效率的措施。電機(jī)節(jié)能是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及電機(jī)的整個(gè)生命周期。從電機(jī)的設(shè)計(jì)制造到電機(jī)的選擇、運(yùn)行、調(diào)整、維護(hù)和報(bào)廢，都要從電機(jī)的整個(gè)生命周期考慮節(jié)能措施的效果。在這方面，國內(nèi)外主要從以下幾個(gè)方面考慮提高電機(jī)的效率。
節(jié)能電機(jī)的設(shè)計(jì)是指運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、新材料技術(shù)、控制技術(shù)、集成技術(shù)、試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。減少電機(jī)的功率損耗，提高電機(jī)的效率，設(shè)計(jì)出高效的電機(jī)。
當(dāng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能時(shí)，也會(huì)損失一些能量。典型的交流電機(jī)損耗可分為三部分：固定損耗、可變損耗和雜散損耗。可變損耗隨負(fù)載變化，包括定子電阻損耗(銅損)、轉(zhuǎn)子電阻損耗和電刷電阻損耗；固定損耗與負(fù)載無關(guān)，包括鐵損和機(jī)械損耗。鐵損由磁滯損耗和渦流損耗組成，與電壓的平方成正比，磁滯損耗與頻率成反比。其他雜散損耗是機(jī)械損耗和其他損耗，包括軸承的摩擦損耗和風(fēng)扇、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的風(fēng)阻損耗。
1.節(jié)約能源，降低長期運(yùn)行成本，非常適用于紡織、風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)。節(jié)約一年電可以收回電機(jī)的購買成本；
2.異步電動(dòng)機(jī)完全可以用直接起動(dòng)或用變頻器調(diào)速來代替；
3.稀土永磁高效節(jié)能電機(jī)本身比普通電機(jī)節(jié)約電能15%以上；
4.電機(jī)的功率因數(shù)接近1，提高了電網(wǎng)的品質(zhì)因數(shù)，無需增加功率因數(shù)補(bǔ)償器；
5.電機(jī)電流小，節(jié)省輸配電容量，延長系統(tǒng)整體運(yùn)行壽命；
6.節(jié)能預(yù)算：以55kW電機(jī)為例，高效電機(jī)比一般電機(jī)節(jié)電15%，電費(fèi)按每千瓦時(shí)0.5元計(jì)算。使用節(jié)能電機(jī)后一年內(nèi)通過節(jié)約用電可以收回更換電機(jī)的費(fèi)用。
高效電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
直接啟動(dòng)，異步電機(jī)完全可以替代。
稀土高效節(jié)能電機(jī)本身比普通電機(jī)節(jié)省電能3%以上。
一般電機(jī)的功率因數(shù)高于0.90，可以提高電網(wǎng)的品質(zhì)因數(shù)，不需要增加功率因數(shù)補(bǔ)償器。
電機(jī)電流小，節(jié)省了輸配電容量，延長了系統(tǒng)的整體運(yùn)行壽命。
驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停止和無級(jí)調(diào)速，節(jié)電效果進(jìn)一步提高。
定子損耗
降低電機(jī)定子I^2R損耗的主要手段有：
1.增加定子槽的橫截面積。在定子外徑相同的情況下，增加定子槽的截面積會(huì)減小磁路面積，增加齒的磁密；
2.提高定子槽的滿槽率，效果良好
電機(jī)的轉(zhuǎn)子I^2R損耗主要與轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子電阻有關(guān)，相應(yīng)的節(jié)能方法主要有：
1.降低轉(zhuǎn)子電流，可以從兩個(gè)方面考慮：提高電壓和電機(jī)功率；
2.增加轉(zhuǎn)子槽的截面積；
3.降低轉(zhuǎn)子繞組的電阻，比如使用粗導(dǎo)線和低電阻的材料，對(duì)于小型電機(jī)是有意義的，因?yàn)樾⌒碗姍C(jī)一般都是鑄鋁轉(zhuǎn)子。如果采用鑄銅轉(zhuǎn)子，電機(jī)的總損耗可降低10% ~ 15%。但現(xiàn)在鑄銅轉(zhuǎn)子制造溫度高，技術(shù)還沒有普及，其成本比鑄鋁轉(zhuǎn)子高15% ~ 20%。
轉(zhuǎn)子損耗
可以通過以下措施降低電機(jī)的鐵損：
1.降低磁場(chǎng)密度，增加鐵芯長度來降低磁通密度，但電機(jī)用鐵量會(huì)相應(yīng)增加；
2.減少鐵屑的厚度以減少感應(yīng)電流的損失。比如用冷軋硅鋼片代替熱軋硅鋼片，可以減少硅鋼片的厚度，但薄鐵屑會(huì)增加電機(jī)制造的鐵屑數(shù)量和陳本；
3.導(dǎo)磁率可以用來冷軋硅鋼片，減少磁滯損耗；
4.采用高性能鐵屑絕緣涂層；
5.熱處理和制造工藝，鐵屑加工后的殘余應(yīng)力會(huì)嚴(yán)重影響電機(jī)的損耗。加工硅鋼片時(shí)，切割方向和沖切應(yīng)力對(duì)鐵芯損耗影響很大。沿軋制方向切割硅鋼片，并對(duì)硅鋼片進(jìn)行熱處理，可降低10% ~ 20%的損耗。
鐵耗
目前對(duì)電機(jī)雜散損耗的認(rèn)識(shí)還處于研究階段，降低雜散損耗的一些主要方法如下：
1.采用熱處理和精加工，減少轉(zhuǎn)子表面短路；
2.絕緣轉(zhuǎn)子槽的內(nèi)表面；
3.通過改進(jìn)定子繞組設(shè)計(jì)減少諧波：
4.改善轉(zhuǎn)子槽的匹配設(shè)計(jì)和匹配以降低諧波，增加定子和轉(zhuǎn)子齒，將轉(zhuǎn)子槽設(shè)計(jì)成斜槽，采用串聯(lián)的正弦繞組、分散繞組和短距離繞組可以大大降低高次諧波；用磁性槽泥或磁性槽楔代替?zhèn)鹘y(tǒng)的絕緣槽楔，并用磁性槽泥填充電機(jī)定子鐵芯的槽，是降低附加雜散損耗的有效方法。
雜散損耗
應(yīng)該引起人們的重視，它約占總運(yùn)動(dòng)損失的25%。摩擦損失主要由軸承和密封件引起，可通過以下措施減少：
1.最小化軸的尺寸，但滿足輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的要求；
2.使用高效軸承；
3.使用高效的潤滑系統(tǒng)和潤滑劑；
4.采用先進(jìn)的密封技術(shù)。
