日期：2022-11-07 16:35 瀏覽次數：0
自2021年6月1日起，我國正式實施最新的電機能效標準《GB18613-2020電動機能效限定及能效等級》。本標準實施后，三相異步電動機能效限定值達不到IE3的電動機不得再生產、銷售和采購。
去年年底，工信部和市場監管總局聯合發布了《電機能效提升計劃（2021-2023年）》。文件中特別強調，到2023年，高效節能電機年產量達到1.7億千瓦，在用高效節能電機占比達到20%以上，實現年節電490億千瓦時，相當于節約標準煤1500萬噸，減少二氧化碳排放2800萬噸。
因此，電機企業要在技術、設備、工藝、材料、銷售等方面做好充分準備。
那么，高效電機有哪些技術路線？目前，主要有五條技術路線：
它是一臺三相異步電動機。它是一種工業電機，功率范圍從幾瓦到幾萬千瓦，應用范圍很廣。主要用于風機、泵、壓縮機、機床、輕工和礦山機械、農業生產中的脫粒機和研磨機、農副產品中的加工機械等。
圖：YE4系列三相異步電動機(來源：華力集團官網)
其優點是結構簡單，制造容易，價格低廉，運行可靠，經久耐用，運行效率高，鑄鋁轉子，設計難度小，產業鏈成熟，規格齊全等。缺點是功率因數差，總是小于1；目前，它不能經濟地大范圍平滑調速。
因此，三相異步電動機的傳統應用是在恒速的情況下，但現在越來越多的三相異步電動機使用變頻器(VFD)或變速驅動。變頻器可以根據頻率調整輸出電壓。如果應用在離心風機、泵或壓縮機上，可以達到和感應電機一樣節能的效果。
目前高能效IE4以上的三相異步電機有YE4、YE5系列等。也就是說，需要開發YE4和YE5系列三相異步電動機。
二、鑄銅轉子三相異步電動機。其實也是一種三相異步電機，只是轉子是鑄銅的。因為銅的電阻率比鋁低，所以會降低轉子的電阻，從而降低轉子損耗，提高電機的效率。
但也帶來了一個問題，就是對鑄造技術和設備的要求更高。目前IE4標準以上的鑄銅轉子三相異步電動機有YZTE4系列等。
三是自起動永磁同步電機。該系列電機的特點是轉子采用鑄鋁或銅排焊接，設計難度大，產業鏈成熟，成本高，規格齊全。缺點是起步沖擊大，速度無法調節。
目前該系列IE4標準電機為TYE4系列自起動永磁同步電機。
四頻變速永磁同步電機，又稱BLDC電機。其特點是轉子有永磁體，但沒有導桿。它最大的優勢是免維護，效率高，設計難度一般，產業鏈成熟，規格齊全。但是因為需要配置控制器，成本比較高，經濟性差。
圖：變頻永磁同步電機
這種電機也是近幾年的熱點，很多企業都在做，尤其是半導體企業更加重視。因為PMSM的控制需要大量的芯片產品，比如MCU、DSP等微處理器，MOSFET、IGBT等功率器件，傳感器等等。
當然，除了它的優勢，永磁同步電機，或BLDC電機，也有一些發展瓶頸要面對，如功率密度，材料，和生產技術。
五是同步磁阻電機。它的工作原理是利用轉子不均勻磁阻產生的扭矩。轉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，同步磁阻電機的控制策略與永磁同步電機非常相似，可以采用矢量控制和直接轉矩控制。
盡管同步磁阻電機的設計難度更大，但它可以輕松滿足IE4甚至IE5標準。
以上是IE4及以上電機標準的五大主要技術路線。當然，為了實現更高效電機的設計和生產，需要開發上游關鍵材料，如絕緣材料、冷軋硅鋼片等；設備(主要是沖床)，下游產品如風機、泵、壓縮機等。
也就是說，我們需要優化電機產業結構，從而提高高效電機產品的開發和供應能力。作為一個工業大國，電機產品在很大程度上取決于國家的發展速度和產業政策。因此，如何抓住市場機遇，及時調整產品結構，開發適銷對路的產品，選擇差異化的節能電機產品，遵循國家產業政策是關鍵。從全球來看，電機行業正朝著高效節能的方向發展，發展潛力巨大。
提高電機效率的措施。電機節能是一項系統工程，涉及電機的整個生命周期。從電機的設計制造到電機的選擇、運行、調整、維護和報廢，都要從電機的整個生命周期考慮節能措施的效果。在這方面，國內外主要從以下幾個方面考慮提高電機的效率。
節能電機的設計是指運用優化設計技術、新材料技術、控制技術、集成技術、試驗檢測技術等現代設計方法。減少電機的功率損耗，提高電機的效率，設計出高效的電機。
當電機將電能轉化為機械能時，也會損失一些能量。典型的交流電機損耗可分為三部分：固定損耗、可變損耗和雜散損耗?？勺儞p耗隨負載變化，包括定子電阻損耗(銅損)、轉子電阻損耗和電刷電阻損耗；固定損耗與負載無關，包括鐵損和機械損耗。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。其他雜散損耗是機械損耗和其他損耗，包括軸承的摩擦損耗和風扇、轉子旋轉引起的風阻損耗。
1.節約能源，降低長期運行成本，非常適用于紡織、風機、水泵、壓縮機。節約一年電可以收回電機的購買成本；
2.異步電動機完全可以用直接起動或用變頻器調速來代替；
3.稀土永磁高效節能電機本身比普通電機節約電能15%以上；
4.電機的功率因數接近1，提高了電網的品質因數，無需增加功率因數補償器；
5.電機電流小，節省輸配電容量，延長系統整體運行壽命；
6.節能預算：以55kW電機為例，高效電機比一般電機節電15%，電費按每千瓦時0.5元計算。使用節能電機后一年內通過節約用電可以收回更換電機的費用。
高效電機的優點
直接啟動，異步電機完全可以替代。
稀土高效節能電機本身比普通電機節省電能3%以上。
一般電機的功率因數高于0.90，可以提高電網的品質因數，不需要增加功率因數補償器。
電機電流小，節省了輸配電容量，延長了系統的整體運行壽命。
驅動器可以實現軟啟動、軟停止和無級調速，節電效果進一步提高。
定子損耗
降低電機定子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
電機的轉子I^2R損耗主要與轉子電流和轉子電阻有關，相應的節能方法主要有：
1.降低轉子電流，可以從兩個方面考慮：提高電壓和電機功率；
2.增加轉子槽的截面積；
3.降低轉子繞組的電阻，比如使用粗導線和低電阻的材料，對于小型電機是有意義的，因為小型電機一般都是鑄鋁轉子。如果采用鑄銅轉子，電機的總損耗可降低10% ~ 15%。但現在鑄銅轉子制造溫度高，技術還沒有普及，其成本比鑄鋁轉子高15% ~ 20%。
轉子損耗
可以通過以下措施降低電機的鐵損：
1.降低磁場密度，增加鐵芯長度來降低磁通密度，但電機用鐵量會相應增加；
2.減少鐵屑的厚度以減少感應電流的損失。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，但薄鐵屑會增加電機制造的鐵屑數量和陳本；
3.導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力會嚴重影響電機的損耗。加工硅鋼片時，切割方向和沖切應力對鐵芯損耗影響很大。沿軋制方向切割硅鋼片，并對硅鋼片進行熱處理，可降低10% ~ 20%的損耗。
鐵耗
目前對電機雜散損耗的認識還處于研究階段，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，減少轉子表面短路；
2.絕緣轉子槽的內表面；
3.通過改進定子繞組設計減少諧波：
4.改善轉子槽的匹配設計和匹配以降低諧波，增加定子和轉子齒，將轉子槽設計成斜槽，采用串聯的正弦繞組、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傳統的絕緣槽楔，并用磁性槽泥填充電機定子鐵芯的槽，是降低附加雜散損耗的有效方法。
雜散損耗
應該引起人們的重視，它約占總運動損失的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，但滿足輸出轉矩和轉子動力學的要求；
2.使用高效軸承；
3.使用高效的潤滑系統和潤滑劑；
4.采用先進的密封技術。
