高效电机

简介

    高效电机从设计、材料和工艺上采取措施，例如采用合理的定、转子槽数、风扇参数和正弦绕组等措施，降低损耗，效率可提高2%——8%，平均提高4%。2002年，中国电动机总容量约400GW，其中近80%为中小型，年用电量660TW·h。中小型电动机平均效率87%，国际先进水平为92%.中国中小型电动机节电潜力约为12TW·h。

    从节约能源、保护环境出发，高效率电动机是现今国际发展趋势，美国、加拿大、欧洲相继颁布了有关法规。欧洲根据电动机的运行时间，制定的CEMEP标准将效率分为eff1（）、eff2、eff3（）三个等级，从2003-2006年间分步实施。出台的IEC 60034-30标准将电机效率分为IE1（对应eff2）、IE2（对应eff1）、IE3、IE4（）四个等级。我国承诺从2011年7月1日起执行IE2及以上标准。

    随着我国加入WTO，我国电机行业所面临的国际社会的巨大竞争压力和挑战日益加剧。从国际和国内发展趋势来看，推广中国高效率电动机是非常有必要的，这也是产品发展的要求，使我国电动机产品跟上国际发展潮流，同时也有利于推进行业技术进步和产品出口的需要。据统计，2002年我国电机耗电占全国耗电量的60%以上，其中小型三相异步电机耗电约占35%，是耗电大户，所以开发中国高效电动机是提高能源利用率的重要措施之一，符合我国发展的需要，是非常必要的。

    目前我国工业能耗约占总能耗的70%，其中电机能耗约占工业能耗的60%~70%，加上非工业电机能耗，电机实际能耗约占总能耗的50%以上。而现今高效节能电机应用比例低。根据国家中小电机质量监督检验中心对国内重点企业198台电机的抽样调查，其中达到2级以上的高效节能电机比例只有8%。这对整个社会资源产生了极大的浪费。

    有机构做过计算，如果将所有电动机效率提高5%，则全年可节约电量达765亿千瓦时，这个数字接近三峡2008年全年发电量。所以说节能电机行业的发展空间大、需求性强。政策方面，国家标准化管理委员会于2012年发布了强制性标准《GB 18613-2012 中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》。

特点

    (1)效率高，IE2 比IE1 平均高3%，IE3 比IE1 平均高近5%左右。

    (2)需使用更多高质量的材料。IE2 比IE1 电机成本高25%～30%，IE3 比IE1 电机成本高40%～60%左右。

    (3)由于运行温度较低，电机寿命更长，可降低维护成本。

    (4)典型设计情况下起动电流较大些。

    (5)转子惯量较大。

    (6)额定负载下转速较高，转差率较小。

节能措施

    电动机提高效率的措施。电机的节能是一项系统工程，涉及电动机的全寿命周期，从电动机的设计、制造到电动机的选型、运行、调节、检修、报废，要从电动机的整个寿命周期考虑其节能措施的效果，国内外在这方面主要考虑从以下几个方面提高电机的效率。

    节能电动机的设计是指运用优化设计技术、新材料技术、控制技术、集成技术、试验检测技术等现代设计手段，减小电动机的功率损耗，提高电动机的效率，设计出高效的电动机。

    电动机在将电能转换为机械能的同时,本身也损耗一部分能量,典型交流电动机损耗一般可分为固定损耗、可变损耗和杂散损耗三部分。可变损耗是随负荷变化的，包括定子电阻损耗（铜损）、转子电阻损耗和电刷电阻损耗；固定损耗与负荷无关，包括铁芯损耗和机械损耗。铁损又由磁滞损耗和涡流损耗所组成，与电压的平方成正比，其中磁滞损耗还与频率成反比；其他杂散损耗是机械损耗和其他损耗，包括轴承的摩擦损耗和风扇、转子等由于旋转引起的风阻损耗；

五大损耗

    定子损耗

    降低电动机定子I^2R损耗的主要手段实践中采用较多的方法是：

    （1）增加定子槽截面积，在同样定子外径的情况下，增加定子槽截面积会减少磁路面积，增加齿部磁密；

    （2）增加定子槽满槽率，这对低压小电动机效果较好，应用绕线和绝缘尺寸、大导线截面积可增加定子的满槽率；

    （3）尽量缩短定子绕组端部长度，定子绕组端部损耗占绕组总损耗的1/4～1/2,减少绕组端部长度,可提高电动机效率。实验表明,端部长度减少20%,损耗下降10%。

    转子损耗

    电动机转子I^2R损耗主要与转子电流和转子电阻有关，相应的节能方法主要有：

    （1）减小转子电流，这可从提高电压和电机功率因素两方面考虑；

    （2）增加转子槽截面积；

    （3）减小转子绕组的电阻，如采用粗的导线和电阻低的材料，这对小电动机较有意义，因为小电动机一般为铸铝转子，若采用铸铜转子，电动机总损失可减少10%～15%，但现今的铸铜转子所需制造温度高且技术尚未普及，其成本高于铸铝转子15%～20%.

    铁耗

    电动机铁耗可以由以下措施减小：

    （1）减小磁密度，增加铁芯的长度以降低磁通密度，但电动机用铁量随之增加；

    （2）减少铁芯片的厚度来减少感应电流的损失，如用冷轧硅钢片代替热轧硅钢片可减小硅钢片的厚度，但薄铁芯片会增加铁芯片数目和电机制造陈本；

    （3）采用导磁性能良好的冷轧硅钢片降低磁滞损耗；

    （4）采用高性能铁芯片绝缘涂层；

    （5）热处理及制造技术，铁芯片加工后的剩余应力会严重影响电动机的损耗，硅钢片加工时，裁剪方向、冲剪应力对铁芯损耗的影响较大。顺着硅钢片的碾轧方向裁剪、并对硅钢冲片进行热处理，可降低10%～20%的损耗 等方法来实现。

    杂散损耗

    如今对电动机杂散损耗的认识仍然处于研究阶段，现今一些降低杂散损失的主要方法有：

    （1）采用热处理及精加工降低转子表面短路；

    （2）转子槽内表面绝缘处理；

    （3）通过改进定子绕组设计减少谐波；

    （4）改进转子槽配合设计和配合减少谐波，增加定、转子齿槽、把转子槽形设计成斜槽、采用串接的正弦绕组、散布绕组和短距绕组可大大降低高次谐波;采用磁性槽泥或磁性槽楔替代传统的绝缘槽楔、用磁性槽泥填平电动机定子铁芯槽口，是减少附加杂散损耗的有效方法。

    风摩耗

    到人们应有的重视，它占电机总损失的25%左右。摩擦损失主要有轴承和密封引起，可由以下措施减小：

    （1）尽量减小轴的尺寸，但需满足输出扭矩和转子动力学的要求；

    （2）使用高效轴承；

    （3）使用高效润滑系统及润滑剂；

    （5）采用先进的密封技术，如有无弹簧的新密封使用情况的报道，称通过有效减少与轴的接触压力，可使以6000 rpm转动的45mm直径的轴降低损耗近50 W；流动损失是由冷却风扇和转子通风槽引起的，用于产生空气流动来冷却电动机。流动损失一般占电动机总损失的20%左右。整个电动机的流体力学及传热学分析较复杂，其复杂程度甚至超过航天飞机部件分析，好的流体力学和传热学设计会极大提高电动机的冷却效率并降低流动损失。

    美国于本世纪初又出现了更高效率的所谓“超高效电动机”。一般而言，高效电动机与普通电动机相比，损耗平均下降20%左右，而超高效电动机则比普通电动机损耗平均下降30%以上。因为超高效电动机的损耗较高效电机有更进一步下降，因此对于长期连续运行、负荷率较高的场合，节能效果更为明显。要实现从普通电机到超高效电机的效率提高，除了增加硅钢片和铜线的用量以及缩小风扇尺寸等措施外，还必须在新材料的应用、电机制造工艺以及优化设计等方面采取措施，以控制成本和满足电机结构尺寸的限制。国外很多企业在这些方面开展了积极的研究，并取得了一些进展。一般电工钢片经加工成铁心压装入机座后，铁耗大幅度增加，而英国Brook Hansen公司与钢厂合作，应用一新研制成功的电工钢片，加工成铁心制成电机，铁耗在加工前后变化不大。日本东芝公司是美国高效电机和超高效电机的主要供货商之一。该公司声称由于改进了制造工艺和采用新材料，使高效电机的成本下降了30%，所采取的措施包括:应用特殊的下线工具，提高定子槽满率，增加铜线的截面积;提高制造精度，缩短间隙长度，从而减小励磁电流及其所引起的铜损;采用转子槽绝缘工艺，降低杂散损耗;采用激光铁心叠压工具，使铁损下降。由于铜比铝的电阻率降低40%左右，所以如果用铸铜转子代替铸铝转子，电机总损耗将可显著下降。这些年，国际铜业协会在美国能源部的支持下，进行了压力铸铜工艺的研究，现今已解决高温模具的材料以及相关的压铸工艺问题，从而使得有可能较经济地批量生产铸铜转子电机。2003年6月，德国SEW Eurodrive公司已运用此项压铸技术成功地推出了采用铸铜转子的齿轮电动机系列。意大利科技教育部组织相关机构开展了铸铜转子和铸铝转子的性能数据对比试验项目。该项目由意大利LAFERT电机公司、Thyssen Krupp钢铁公司和法国FAVI铸铜公司合作进行。试验在不改变定、转子槽形，仅改变磁性材料和长度的情况下进行，所得的数据表明，采用铸铜转子，可使电动机的能耗在原有基础上降低15%～25%，电机效率可提高2%～5%。但由于转子电阻降低会引起启动转矩下降，因此在设计时应进行其他参数的调整，以使之在提高效率的同时，满足其他主要性能指标。

行业概况

    产量预测

    国家在煤炭、矿业、装备制造等行业整合、重组，将进一步推动中型电机产品的需求和发展。国家节能减排政策的深入落实，对电机系统节能提出了新的、更高的要求。由单纯追求电机的高效率正在向系统运行的高效率转变，并最终促进电机产品市场的进一步细分，推动特殊、专用产品和成套系统的发展。这不仅对中小型电机的设计、生产提出了更高的要求，同时也提供了更广阔的产品应用空间、经济利润空间和行业发展空间。未来五年国家将采用财政补贴方式推广中小型节能高效电机等产品，预计未来五年中小型节能高效电机产量将得到爆发性增长，年均增长率为58.07%。中小型节能高效电机产量经过2013年的高速发展，到2014年增长趋势趋于稳定，增长率小幅下降，但难以改变中小型节能高效电机产量大幅增长的趋势，2016年中小型节能高效电机产量将增长到21840万千瓦。

    规模增长

    2007-2011年中小型节能高效电机市场规模年均增长率达到50.8%。未来在国家政策及下游需求的影响下，中小型节能高效电机行业市场规模将得到大幅度的增长，综合各种影响因素，我们认为2012-2016年中小型节能高效电机市场规模年均增长率在69.36%，预计到2016年中国中小型节能高效电机行业市场规模将达到1092亿元，占中小型电机市场规模的61%。中小型节能高效电机市场规模基数小，导致市场规模增长率远远高于中小型电机规模增长率，并将长期维持此高增长态势。经过2013年爆发性增长后，中小型节能高效电机市场规模仍保持高速发展，但增长速度开始趋稳。

    国内动态

    2010年6月2日，财政部、国家发展改革委联合出台《关于印发节能产品惠民工程高效电机推广实施细则的通知》，将高效电机纳入节能产品惠民工程实施范围，采取财政补贴方式进行推广。

    为贯彻落实国务院《“十二五”节能减排综合性工作方案》和《“十二五”节能环保产业发展规划》，促进高效节能机电设备（产品）的推广应用，结合工业、通信业节能减排工作实际，工业和信息化部于2013年2月21日发布了《节能机电设备（产品）推荐目录（第四批）》。

    试验台

    研制高效电机的同时，采用变频调速技术是另一项行之有效的节能措施。高效电机和变频电机试验对测试设备的功能及性能指标提出了较高的要求，为了准确获取电机的效率，应该采用带微处理器的宽频功率分析仪和准确级较高的变频电量变送器/传感器。

    标准化电机试验台是响应节能减排，针对电机能效提升计划而推出的新型试验系统。标准化电机试验台将复杂系统标准化、仪器化，提高了系统可靠性，简化了安装调试过程，降低了系统成本。

    1、数字电源

    满足GB/T1032-2012和GB755-2008对电机试验电源的要求，受程序控制进行相应操作。

    2、变频功率传感器

    满足性能设计要求，对试验过程中主要电参量进行测量，通过光纤传输到试验台变频功率分析仪。

    3、开关量测控

    采用分布式测控系统完成对包括电源柜、测量开关柜等系统中所有开关的控制和测试。

    4、模拟量测试

    采用分布式测控系统完成对8路温度和1路扭矩和转速进行测试，通过光纤传输到试验台变频功率分析仪。

    5、自动化试验台

    通过各接口完成对设备的通信控制、获得试验过程的电量和非电量测量数据；

    根据试验项目完成对试验电源的配置，对开关状态进行控制，通过软件设计实现试验项目的过程控制，完成试验过程，并获取相应的试验数据；

    根据标准对试验过程获得的数据进行处理，获得试验结果，形成试验报告；

    试验报告存储、打印。

    工信部2013年3月26日印发的《2013年工业节能与绿色发展专项行动实施方案》通知提出，2013年将重点推进实施电机能效提升专项计划。专项行动实施的目标为：实现全国工业用电节约1%（300亿度左右），探索工业节能与绿色发展的模式和实现途径，实现以点带面，带动工业节能与综合利用整体工作取得进展。根据实施方案，2013年工信部将从推广高效电机、淘汰低效电机以及既有电机系统节能技术改造等6个方面入手，推广、淘汰和节能改造电机及电机系统1亿千瓦，扩大高效电机市场份额，促进电机产品升级换代和产业升级。

    工信部和国家质检总局6月21日联合印发《电机能效提升计划（2013-2015年）》，计划提出到2015年累计推广高效电机1.7亿千瓦，淘汰在用低效电机1.6亿千瓦，实施电机系统节能技改1亿千瓦，实施淘汰电机高效再制造2000万千瓦。