高效電機(jī)

電動(dòng)機(jī)提高效率的措施。電機(jī)的節(jié)能是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及電動(dòng)機(jī)的全壽命周期，從電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造到電動(dòng)機(jī)的選型、運(yùn)行、調(diào)節(jié)、檢修、報(bào)廢，要從電動(dòng)機(jī)的整個(gè)壽命周期考慮其節(jié)能措施的效果，國(guó)內(nèi)外在這方面主要考慮從以下幾個(gè)方面提高電機(jī)的效率。

節(jié)能電動(dòng)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)手段，減小電動(dòng)機(jī)的功率損耗，提高電動(dòng)機(jī)的效率，設(shè)計(jì)出高效的電動(dòng)機(jī)。

電動(dòng)機(jī)在將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的同時(shí),本身也損耗一部分能量,典型交流電動(dòng)機(jī)損耗一般可分為固定損耗、可變損耗和雜散損耗三部分?？勺儞p耗是隨負(fù)荷變化的，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)荷無關(guān)，包括鐵芯損耗和機(jī)械損耗。鐵損又由磁滯損耗和渦流損耗所組成，與電壓的平方成正比，其中磁滯損耗還與頻率成反比;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)子等由于旋轉(zhuǎn)引起的風(fēng)阻損耗;

降低電動(dòng)機(jī)定子I^2R損耗的主要手段實(shí)踐中采用較多的方法是:

(1)增加定子槽截面積，在同樣定子外徑的情況下，增加定子槽截面積會(huì)減少磁路面積，增加齒部磁密;

(2)增加定子槽滿槽率，這對(duì)低壓小電動(dòng)機(jī)效果較好，應(yīng)用最佳繞線和絕緣尺寸、大導(dǎo)線截面積可增加定子的滿槽率;

(3)盡量縮短定子繞組端部長(zhǎng)度，定子繞組端部損耗占繞組總損耗的1/4~1/2,減少繞組端部長(zhǎng)度,可提高電動(dòng)機(jī)效率。實(shí)驗(yàn)表明,端部長(zhǎng)度減少20%,損耗下降10%。

電動(dòng)機(jī)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)減小轉(zhuǎn)子電流，這可從提高電壓和電機(jī)功率因素兩方面考慮;

(2)增加轉(zhuǎn)子槽截面積;

(3)減小轉(zhuǎn)子繞組的電阻，如采用粗的導(dǎo)線和電阻低的材料，這對(duì)小電動(dòng)機(jī)較有意義，因?yàn)樾‰妱?dòng)機(jī)一般為鑄鋁轉(zhuǎn)子，若采用鑄銅轉(zhuǎn)子，電動(dòng)機(jī)總損失可減少10%~15%，但現(xiàn)今的鑄銅轉(zhuǎn)子所需制造溫度高且技術(shù)尚未普及，其成本高于鑄鋁轉(zhuǎn)子15%~20%.

電動(dòng)機(jī)鐵耗可以由以下措施減小:

(1)減小磁密度，增加鐵芯的長(zhǎng)度以降低磁通密度，但電動(dòng)機(jī)用鐵量隨之增加;

(2)減少鐵芯片的厚度來減少感應(yīng)電流的損失，如用冷軋硅鋼片代替熱軋硅鋼片可減小硅鋼片的厚度，但薄鐵芯片會(huì)增加鐵芯片數(shù)目和電機(jī)制造陳本;

(3)采用導(dǎo)磁性能良好的冷軋硅鋼片降低磁滯損耗;

(4)采用高性能鐵芯片絕緣涂層;

(5)熱處理及制造技術(shù)，鐵芯片加工后的剩余應(yīng)力會(huì)嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)的損耗，硅鋼片加工時(shí)，裁剪方向、沖剪應(yīng)力對(duì)鐵芯損耗的影響較大。順著硅鋼片的碾軋方向裁剪、并對(duì)硅鋼沖片進(jìn)行熱處理，可降低10%~20%的損耗 等方法來實(shí)現(xiàn)。

如今對(duì)電動(dòng)機(jī)雜散損耗的認(rèn)識(shí)仍然處于研究階段，現(xiàn)今一些降低雜散損失的主要方法有:

(1)采用熱處理及精加工降低轉(zhuǎn)子表面短路;

(2)轉(zhuǎn)子槽內(nèi)表面絕緣處理;

(3)通過改進(jìn)定子繞組設(shè)計(jì)減少諧波;

(4)改進(jìn)轉(zhuǎn)子槽配合設(shè)計(jì)和配合減少諧波，增加定、轉(zhuǎn)子齒槽、把轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計(jì)成斜槽、采用串接的正弦繞組、散布繞組和短距繞組可大大降低高次諧波;采用磁性槽泥或磁性槽楔替代傳統(tǒng)的絕緣槽楔、用磁性槽泥填平電動(dòng)機(jī)定子鐵芯槽口，是減少附加雜散損耗的有效方法。

到人們應(yīng)有的重視，它占電機(jī)總損失的25%左右。摩擦損失主要有軸承和密封引起，可由以下措施減小:

(1)盡量減小軸的尺寸，但需滿足輸出扭矩和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的要求;

(2)使用高效軸承;

(3)使用高效潤(rùn)滑系統(tǒng)及潤(rùn)滑劑;

(5)采用先進(jìn)的密封技術(shù)，如有無彈簧的新密封使用情況的報(bào)道，稱通過有效減少與軸的接觸壓力，可使以6000 rpm轉(zhuǎn)動(dòng)的45mm直徑的軸降低損耗近50 W;流動(dòng)損失是由冷卻風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽引起的，用于產(chǎn)生空氣流動(dòng)來冷卻電動(dòng)機(jī)。流動(dòng)損失一般占電動(dòng)機(jī)總損失的20%左右。整個(gè)電動(dòng)機(jī)的流體力學(xué)及傳熱學(xué)分析較復(fù)雜，其復(fù)雜程度甚至超過航天飛機(jī)部件分析，好的流體力學(xué)和傳熱學(xué)設(shè)計(jì)會(huì)極大提高電動(dòng)機(jī)的冷卻效率并降低流動(dòng)損失。

美國(guó)于本世紀(jì)初又出現(xiàn)了更高效率的所謂"超高效電動(dòng)機(jī)"。一般而言，高效電動(dòng)機(jī)與普通電動(dòng)機(jī)相比，損耗平均下降20%左右，而超高效電動(dòng)機(jī)則比普通電動(dòng)機(jī)損耗平均下降30%以上。因?yàn)槌咝щ妱?dòng)機(jī)的損耗較高效電機(jī)有更進(jìn)一步下降，因此對(duì)于長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行、負(fù)荷率較高的場(chǎng)合，節(jié)能效果更為明顯。要實(shí)現(xiàn)從普通電機(jī)到超高效電機(jī)的效率提高，除了增加硅鋼片和銅線的用量以及縮小風(fēng)扇尺寸等措施外，還必須在新材料的應(yīng)用、電機(jī)制造工藝以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面采取措施，以控制成本和滿足電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的限制。國(guó)外很多企業(yè)在這些方面開展了積極的研究，并取得了一些進(jìn)展。一般電工鋼片經(jīng)加工成鐵心壓裝入機(jī)座后，鐵耗大幅度增加，而英國(guó)Brook Hansen公司與鋼廠合作，應(yīng)用一新研制成功的電工鋼片，加工成鐵心制成電機(jī)，鐵耗在加工前后變化不大。日本東芝公司是美國(guó)高效電機(jī)和超高效電機(jī)的主要供貨商之一。該公司聲稱由于改進(jìn)了制造工藝和采用新材料，使高效電機(jī)的成本下降了30%，所采取的措施包括:應(yīng)用特殊的下線工具，提高定子槽滿率，增加銅線的截面積;提高制造精度，縮短間隙長(zhǎng)度，從而減小勵(lì)磁電流及其所引起的銅損;采用轉(zhuǎn)子槽絕緣工藝，降低雜散損耗;采用激光鐵心疊壓工具，使鐵損下降。由于銅比鋁的電阻率降低40%左右，所以如果用鑄銅轉(zhuǎn)子代替鑄鋁轉(zhuǎn)子，電機(jī)總損耗將可顯著下降。這些年，國(guó)際銅業(yè)協(xié)會(huì)在美國(guó)能源部的支持下，進(jìn)行了壓力鑄銅工藝的研究，現(xiàn)今已解決高溫模具的材料以及相關(guān)的壓鑄工藝問題，從而使得有可能較經(jīng)濟(jì)地批量生產(chǎn)鑄銅轉(zhuǎn)子電機(jī)。2003年6月，德國(guó)SEW Eurodrive公司已運(yùn)用此項(xiàng)壓鑄技術(shù)成功地推出了采用鑄銅轉(zhuǎn)子的齒輪電動(dòng)機(jī)系列。意大利科技教育部組織相關(guān)機(jī)構(gòu)開展了鑄銅轉(zhuǎn)子和鑄鋁轉(zhuǎn)子的性能數(shù)據(jù)對(duì)比試驗(yàn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目由意大利LAFERT電機(jī)公司、Thyssen Krupp鋼鐵公司和法國(guó)FAVI鑄銅公司合作進(jìn)行。試驗(yàn)在不改變定、轉(zhuǎn)子槽形，僅改變磁性材料和長(zhǎng)度的情況下進(jìn)行，所得的數(shù)據(jù)表明，采用鑄銅轉(zhuǎn)子，可使電動(dòng)機(jī)的能耗在原有基礎(chǔ)上降低15%~25%，電機(jī)效率可提高2%~5%。但由于轉(zhuǎn)子電阻降低會(huì)引起啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行其他參數(shù)的調(diào)整，以使之在提高效率的同時(shí)，滿足其他主要性能指標(biāo)。

高效電機(jī)從設(shè)計(jì)、材料和工藝上采取措施，例如采用合理的定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)、風(fēng)扇參數(shù)和正弦繞組等措施，降低損耗，效率可提高2%--8%，平均提高4%。2002年，中國(guó)電動(dòng)機(jī)總?cè)萘考s400GW，其中近80%為中小型，年用電量660TW·h。中小型電動(dòng)機(jī)平均效率87%，國(guó)際先進(jìn)水平為92%.中國(guó)中小型電動(dòng)機(jī)節(jié)電潛力約為12TW·h。

從節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境出發(fā)，高效率電動(dòng)機(jī)是現(xiàn)今國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)，美國(guó)、加拿大、歐洲相繼頒布了有關(guān)法規(guī)。歐洲根據(jù)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，制定的CEMEP標(biāo)準(zhǔn)將效率分為eff1(最高)、eff2、eff3(最低)三個(gè)等級(jí)，從2003-2006年間分步實(shí)施。最新出臺(tái)的IEC 60034-30標(biāo)準(zhǔn)將電機(jī)效率分為IE1(對(duì)應(yīng)eff2)、IE2(對(duì)應(yīng)eff1)、IE3、IE4(最高)四個(gè)等級(jí)。我國(guó)承諾從2011年7月1日起執(zhí)行IE2及以上標(biāo)準(zhǔn)。

隨著我國(guó)加入WTO，我國(guó)電機(jī)行業(yè)所面臨的國(guó)際社會(huì)的巨大競(jìng)爭(zhēng)壓力和挑戰(zhàn)日益加劇。從國(guó)際和國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)來看，推廣中國(guó)高效率電動(dòng)機(jī)是非常有必要的，這也是產(chǎn)品發(fā)展的要求，使我國(guó)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品跟上國(guó)際發(fā)展潮流，同時(shí)也有利于推進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品出口的需要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2002年我國(guó)電機(jī)耗電占全國(guó)耗電量的60%以上，其中小型三相異步電機(jī)耗電約占35%，是耗電大戶，所以開發(fā)中國(guó)高效電動(dòng)機(jī)是提高能源利用率的重要措施之一，符合我國(guó)發(fā)展的需要，是非常必要的。

目前我國(guó)工業(yè)能耗約占總能耗的70%，其中電機(jī)能耗約占工業(yè)能耗的60%~70%，加上非工業(yè)電機(jī)能耗，電機(jī)實(shí)際能耗約占總能耗的50%以上。而現(xiàn)今高效節(jié)能電機(jī)應(yīng)用比例低。根據(jù)國(guó)家中小電機(jī)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)國(guó)內(nèi)重點(diǎn)企業(yè)198臺(tái)電機(jī)的抽樣調(diào)查，其中達(dá)到2級(jí)以上的高效節(jié)能電機(jī)比例只有8%。這對(duì)整個(gè)社會(huì)資源產(chǎn)生了極大的浪費(fèi)。

有機(jī)構(gòu)做過計(jì)算，如果將所有電動(dòng)機(jī)效率提高5%，則全年可節(jié)約電量達(dá)765億千瓦時(shí)，這個(gè)數(shù)字接近三峽2008年全年發(fā)電量。所以說節(jié)能電機(jī)行業(yè)的發(fā)展空間大、需求性強(qiáng)。 政策方面，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)于2012年發(fā)布了強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)《GB 18613-2012 中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》。

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

(2)需使用更多高質(zhì)量的材料。IE2 比IE1 電機(jī)成本高25%~30%，IE3 比IE1 電機(jī)成本高40%~60%左右。

(3)由于運(yùn)行溫度較低，電機(jī)壽命更長(zhǎng)，可降低維護(hù)成本。

(4)典型設(shè)計(jì)情況下起動(dòng)電流較大些。

(5)轉(zhuǎn)子慣量較大。

(6)額定負(fù)載下轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)差率較小。

國(guó)家在煤炭、礦業(yè)、裝備制造等行業(yè)整合、重組，將進(jìn)一步推動(dòng)中型電機(jī)產(chǎn)品的需求和發(fā)展。國(guó)家節(jié)能減排政策的深入落實(shí)，對(duì)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能提出了新的、更高的要求。由單純追求電機(jī)的高效率正在向系統(tǒng)運(yùn)行的高效率轉(zhuǎn)變，并最終促進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品市場(chǎng)的進(jìn)一步細(xì)分，推動(dòng)特殊、專用產(chǎn)品和成套系統(tǒng)的發(fā)展。這不僅對(duì)中小型電機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)提出了更高的要求，同時(shí)也提供了更廣闊的產(chǎn)品應(yīng)用空間、經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)空間和行業(yè)發(fā)展空間。未來五年國(guó)家將采用財(cái)政補(bǔ)貼方式推廣中小型節(jié)能高效電機(jī)等產(chǎn)品，預(yù)計(jì)未來五年中小型節(jié)能高效電機(jī)產(chǎn)量將得到爆發(fā)性增長(zhǎng)，年均增長(zhǎng)率為58.07%。中小型節(jié)能高效電機(jī)產(chǎn)量經(jīng)過2013年的高速發(fā)展，到2014年增長(zhǎng)趨勢(shì)趨于穩(wěn)定，增長(zhǎng)率小幅下降，但難以改變中小型節(jié)能高效電機(jī)產(chǎn)量大幅增長(zhǎng)的趨勢(shì)，2016年中小型節(jié)能高效電機(jī)產(chǎn)量將增長(zhǎng)到21840萬(wàn)千瓦。

2007-2011年中小型節(jié)能高效電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模年均增長(zhǎng)率達(dá)到50.8%。未來在國(guó)家政策及下游需求的影響下，中小型節(jié)能高效電機(jī)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將得到大幅度的增長(zhǎng)，綜合各種影響因素，我們認(rèn)為2012-2016年中小型節(jié)能高效電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模年均增長(zhǎng)率在69.36%，預(yù)計(jì)到2016年中國(guó)中小型節(jié)能高效電機(jī)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1092億元，占中小型電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模的61%。中小型節(jié)能高效電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模基數(shù)小，導(dǎo)致市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中小型電機(jī)規(guī)模增長(zhǎng)率，并將長(zhǎng)期維持此高增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。經(jīng)過2013年爆發(fā)性增長(zhǎng)后，中小型節(jié)能高效電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模仍保持高速發(fā)展，但增長(zhǎng)速度開始趨穩(wěn)。

2010年6月2日，財(cái)政部、國(guó)家發(fā)展改革委聯(lián)合出臺(tái)《關(guān)于印發(fā)節(jié)能產(chǎn)品惠民工程高效電機(jī)推廣實(shí)施細(xì)則的通知》，將高效電機(jī)納入節(jié)能產(chǎn)品惠民工程實(shí)施范圍，采取財(cái)政補(bǔ)貼方式進(jìn)行推廣。

為貫徹落實(shí)國(guó)務(wù)院《"十二五"節(jié)能減排綜合性工作方案》和《"十二五"節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，促進(jìn)高效節(jié)能機(jī)電設(shè)備(產(chǎn)品)的推廣應(yīng)用，結(jié)合工業(yè)、通信業(yè)節(jié)能減排工作實(shí)際，工業(yè)和信息化部于2013年2月21日發(fā)布了《節(jié)能機(jī)電設(shè)備(產(chǎn)品)推薦目錄(第四批)》。

工信部2013年3月26日印發(fā)的《2013年工業(yè)節(jié)能與綠色發(fā)展專項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施方案》通知提出，2013年將重點(diǎn)推進(jìn)實(shí)施電機(jī)能效提升專項(xiàng)計(jì)劃。專項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施的目標(biāo)為:實(shí)現(xiàn)全國(guó)工業(yè)用電節(jié)約1%(300億度左右)，探索工業(yè)節(jié)能與綠色發(fā)展的模式和實(shí)現(xiàn)途徑，實(shí)現(xiàn)以點(diǎn)帶面，帶動(dòng)工業(yè)節(jié)能與綜合利用整體工作取得進(jìn)展。根據(jù)實(shí)施方案，2013年工信部將從推廣高效電機(jī)、淘汰低效電機(jī)以及既有電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造等6個(gè)方面入手，推廣、淘汰和節(jié)能改造電機(jī)及電機(jī)系統(tǒng)1億千瓦，擴(kuò)大高效電機(jī)市場(chǎng)份額，促進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品升級(jí)換代和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

工信部和國(guó)家質(zhì)檢總局6月21日聯(lián)合印發(fā)《電機(jī)能效提升計(jì)劃(2013-2015年)》，計(jì)劃提出到2015年累計(jì)推廣高效電機(jī)1.7億千瓦，淘汰在用低效電機(jī)1.6億千瓦，實(shí)施電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技改1億千瓦，實(shí)施淘汰電機(jī)高效再制造2000萬(wàn)千瓦。

研制高效電機(jī)的同時(shí)，采用變頻調(diào)速技術(shù)是另一項(xiàng)行之有效的節(jié)能措施。高效電機(jī)和變頻電機(jī)試驗(yàn)對(duì)測(cè)試設(shè)備的功能及性能指標(biāo)提出了較高的要求，為了準(zhǔn)確獲取電機(jī)的效率，應(yīng)該采用帶微處理器的寬頻功率分析儀和準(zhǔn)確級(jí)較高的變頻電量變送器/傳感器。

標(biāo)準(zhǔn)化電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)是響應(yīng)節(jié)能減排，針對(duì)電機(jī)能效提升計(jì)劃而推出的新型試驗(yàn)系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)化電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)將復(fù)雜系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、儀器化，提高了系統(tǒng)可靠性，簡(jiǎn)化了安裝調(diào)試過程，降低了系統(tǒng)成本。

1、數(shù)字電源

滿足GB/T1032-2012和GB755-2008對(duì)電機(jī)試驗(yàn)電源的要求，受程序控制進(jìn)行相應(yīng)操作。

2、變頻功率傳感器

滿足性能設(shè)計(jì)要求，對(duì)試驗(yàn)過程中主要電參量進(jìn)行測(cè)量，通過光纖傳輸?shù)皆囼?yàn)臺(tái)變頻功率分析儀。

3、開關(guān)量測(cè)控

采用分布式測(cè)控系統(tǒng)完成對(duì)包括電源柜、測(cè)量開關(guān)柜等系統(tǒng)中所有開關(guān)的控制和測(cè)試。

4、模擬量測(cè)試

采用分布式測(cè)控系統(tǒng)完成對(duì)8路溫度和1路扭矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試，通過光纖傳輸?shù)皆囼?yàn)臺(tái)變頻功率分析儀。

5、自動(dòng)化試驗(yàn)臺(tái)

通過各接口完成對(duì)設(shè)備的通信控制、獲得試驗(yàn)過程的電量和非電量測(cè)量數(shù)據(jù);

根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目完成對(duì)試驗(yàn)電源的配置，對(duì)開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)項(xiàng)目的過程控制，完成試驗(yàn)過程，并獲取相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù);

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)過程獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得試驗(yàn)結(jié)果，形成試驗(yàn)報(bào)告;

試驗(yàn)報(bào)告存儲(chǔ)、打印。

附件:節(jié)能產(chǎn)品惠民工程高效電機(jī)推廣實(shí)施細(xì)則

財(cái)政部

國(guó)家發(fā)展改革委

二〇一〇年五月三十一日

附件: