高效電機

高效電機從設計、材料和工藝上採取措施，例如採用合理的定、轉子槽數、風扇參數和正弦繞組等措施，降低損耗，效率可提高2%——8%，平均提高4%。2002年，中國電動機總容量約400GW，其中近80%為中小型，年用電量660TW·h。中小型電動機平均效率87%，國際先進水平為92%.中國中小型電動機節電潛力約為12TW·h。

從節約能源、保護環境出發，高效率電動機是現今國際發展趨勢，美國、加拿大、歐洲相繼頒布了有關法規。歐洲根據電動機的運行時間，制定的CEMEP標準將效率分為eff1（最高）、eff2、eff3（最低）三個等級，從2003-2006年間分步實施。最新出台的IEC 60034-30標準將電機效率分為IE1（對應eff2）、IE2（對應eff1）、IE3、IE4（最高）四個等級。我國承諾從2011年7月1日起執行IE2及以上標準。

隨著我國加入WTO，我國電機行業所面臨的國際社會的巨大競爭壓力和挑戰日益加劇。從國際和國內發展趨勢來看，推廣中國高效率電動機是非常有必要的，這也是產品發展的要求，使我國電動機產品跟上國際發展潮流，同時也有利於推進行業技術進步和產品出口的需要。據統計，2002年我國電機耗電佔全國耗電量的60%以上，其中小型三相非同步電機耗電約佔35%，是耗電大戶，所以開發中國高效電動機是提高能源利用率的重要措施之一，符合我國發展的需要，是非常必要的。

目前我國工業能耗約佔總能耗的70%，其中電機能耗約佔工業能耗的60%~70%，加上非工業電機能耗，電機實際能耗約佔總能耗的50%以上。而現今高效節能電機應用比例低。根據國家中小電機質量監督檢驗中心對國內重點企業198台電機的抽樣調查，其中達到2級以上的高效節能電機比例只有8%。這對整個社會資源產生了極大的浪費。

有機構做過計算，如果將所有電動機效率提高5%，則全年可節約電量達765億千瓦時，這個數字接近三峽2008年全年發電量。所以說節能電機行業的發展空間大、需求性強。政策方面，國家標準化管理委員會於2012年發布了強制性標準《GB 18613-2012 中小型三相非同步電動機能效限定值及能效等級》。

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

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

(3)由於運行溫度較低，電機壽命更長，可降低維護成本。

(4)典型設計情況下起動電流較大些。

(5)轉子慣量較大。

(6)額定負載下轉速較高，轉差率較小。

電動機提高效率的措施。電機的節能是一項系統工程，涉及電動機的全壽命周期，從電動機的設計、製造到電動機的選型、運行、調節、檢修、報廢，要從電動機的整個壽命周期考慮其節能措施的效果，國內外在這方面主要考慮從以下幾個方面提高電機的效率。

節能電動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手段，減小電動機的功率損耗，提高電動機的效率，設計出高效的電動機。

電動機在將電能轉換為機械能的同時，本身也損耗一部分能量，典型交流電動機損耗一般可分為固定損耗、可變損耗和雜散損耗三部分。可變損耗是隨負荷變化的，包括定子電阻損耗（銅損）、轉子電阻損耗和電刷電阻損耗；固定損耗與負荷無關，包括鐵芯損耗和機械損耗。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；其他雜散損耗是機械損耗和其他損耗，包括軸承的摩擦損耗和風扇、轉子等由於旋轉引起的風阻損耗；

降低電動機定子I^2R損耗的主要手段實踐中採用較多的方法是：

（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減少磁路面積，增加齒部磁密；

（2）增加定子槽滿槽率，這對低壓小電動機效果較好，應用最佳繞線和絕緣尺寸、大導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,減少繞組端部長度，可提高電動機效率。實驗表明，端部長度減少20%,損耗下降10%。

電動機轉子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）減小轉子電流，這可從提高電壓和電機功率因素兩方面考慮；

（2）增加轉子槽截面積；

（3）減小轉子繞組的電阻，如採用粗的導線和電阻低的材料，這對小電動機較有意義，因為小電動機一般為鑄鋁轉子，若採用鑄銅轉子，電動機總損失可減少10%～15%，但現今的鑄銅轉子所需製造溫度高且技術尚未普及，其成本高於鑄鋁轉子15%～20%.

電動機鐵耗可以由以下措施減小：

（1）減小磁密度，增加鐵芯的長度以降低磁通密度，但電動機用鐵量隨之增加；

（2）減少鐵晶元的厚度來減少感應電流的損失，如用冷軋硅鋼片代替熱軋硅鋼片可減小硅鋼片的厚度，但薄鐵晶元會增加鐵晶元數目和電機製造陳本；

（3）採用導磁性能良好的冷軋硅鋼片降低磁滯損耗；

（4）採用高性能鐵晶元絕緣塗層；

（5）熱處理及製造技術，鐵晶元加工后的剩餘應力會嚴重影響電動機的損耗，硅鋼片加工時，裁剪方向、沖剪應力對鐵芯損耗的影響較大。順著硅鋼片的碾軋方向裁剪、並對硅鋼沖片進行熱處理，可降低10%～20%的損耗 等方法來實現。

如今對電動機雜散損耗的認識仍然處於研究階段，現今一些降低雜散損失的主要方法有：

（1）採用熱處理及精加工降低轉子表面短路；

（2）轉子槽內表面絕緣處理；

（3）通過改進定子繞組設計減少諧波；

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

到人們應有的重視，它占電機總損失的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子動力學的要求；

（2）使用高效軸承；

（3）使用高效潤滑系統及潤滑劑；

（5）採用先進的密封技術，如有無彈簧的新密封使用情況的報道，稱通過有效減少與軸的接觸壓力，可使以6000 rpm轉動的45mm直徑的軸降低損耗近50 W；流動損失是由冷卻風扇和轉子通風槽引起的，用於產生空氣流動來冷卻電動機。流動損失一般占電動機總損失的20%左右。整個電動機的流體力學及傳熱學分析較複雜，其複雜程度甚至超過太空梭部件分析，好的流體力學和傳熱學設計會極大提高電動機的冷卻效率並降低流動損失。

美國於本世紀初又出現了更高效率的所謂“超高效電動機”。一般而言，高效電動機與普通電動機相比，損耗平均下降20%左右，而超高效電動機則比普通電動機損耗平均下降30%以上。因為超高效電動機的損耗較高效電機有更進一步下降，因此對於長期連續運行、負荷率較高的場合，節能效果更為明顯。要實現從普通電機到超高效電機的效率提高，除了增加硅鋼片和銅線的用量以及縮小風扇尺寸等措施外，還必須在新材料的應用、電機製造工藝以及優化設計等方面採取措施，以控制成本和滿足電機結構尺寸的限制。國外很多企業在這些方面開展了積極的研究，並取得了一些進展。一般電工鋼片經加工成鐵心壓裝入機座后，鐵耗大幅度增加，而英國Brook Hansen公司與鋼廠合作，應用一新研製成功的電工鋼片，加工成鐵心製成電機，鐵耗在加工前後變化不大。日本東芝公司是美國高效電機和超高效電機的主要供貨商之一。該公司聲稱由於改進了製造工藝和採用新材料，使高效電機的成本下降了30%，所採取的措施包括：應用特殊的下線工具，提高定子槽滿率，增加銅線的截面積；提高製造精度，縮短間隙長度，從而減小勵磁電流及其所引起的銅損；採用轉子槽絕緣工藝，降低雜散損耗；採用激光鐵心疊壓工具，使鐵損下降。由於銅比鋁的電阻率降低40%左右，所以如果用鑄銅轉子代替鑄鋁轉子，電機總損耗將可顯著下降。這些年，國際銅業協會在美國能源部的支持下，進行了壓力鑄銅工藝的研究，現今已解決高溫模具的材料以及相關的壓鑄工藝問題，從而使得有可能較經濟地批量生產鑄銅轉子電機。2003年6月，德國SEW Eurodrive公司已運用此項壓鑄技術成功地推出了採用鑄銅轉子的齒輪電動機系列。義大利科技教育部組織相關機構開展了鑄銅轉子和鑄鋁轉子的性能數據對比試驗項目。該項目由義大利LAFERT電機公司、Thyssen Krupp鋼鐵公司和法國FAVI鑄銅公司合作進行。試驗在不改變定、轉子槽形，僅改變磁性材料和長度的情況下進行，所得的數據表明，採用鑄銅轉子，可使電動機的能耗在原有基礎上降低15%～25%，電機效率可提高2%～5%。但由於轉子電阻降低會引起啟動轉矩下降，因此在設計時應進行其他參數的調整，以使之在提高效率的同時，滿足其他主要性能指標。

國家在煤炭、礦業、裝備製造等行業整合、重組，將進一步推動中型電機產品的需求和發展。國家節能減排政策的深入落實，對電機系統節能提出了新的、更高的要求。由單純追求電機的高效率正在向系統運行的高效率轉變，並最終促進電機產品市場的進一步細分，推動特殊、專用產品和成套系統的發展。這不僅對中小型電機的設計、生產提出了更高的要求，同時也提供了更廣闊的產品應用空間、經濟利潤空間和行業發展空間。未來五年國家將採用財政補貼方式推廣中小型節能高效電機等產品，預計未來五年中小型節能高效電機產量將得到爆發性增長，年均增長率為58.07%。中小型節能高效電機產量經過2013年的高速發展，到2014年增長趨勢趨於穩定，增長率小幅下降，但難以改變中小型節能高效電機產量大幅增長的趨勢，2016年中小型節能高效電機產量將增長到21840萬千瓦。

2007-2011年中小型節能高效電機市場規模年均增長率達到50.8%。未來在國家政策及下游需求的影響下，中小型節能高效電機行業市場規模將得到大幅度的增長，綜合各種影響因素，我們認為2012-2016年中小型節能高效電機市場規模年均增長率在69.36%，預計到2016年中國中小型節能高效電機行業市場規模將達到1092億元，佔中小型電機市場規模的61%。中小型節能高效電機市場規模基數小，導致市場規模增長率遠遠高於中小型電機規模增長率，並將長期維持此高增長態勢。經過2013年爆發性增長后，中小型節能高效電機市場規模仍保持高速發展，但增長速度開始趨穩。

2010年6月2日，財政部、國家發展改革委聯合出台《關於印發節能產品惠民工程高效電機推廣實施細則的通知》，將高效電機納入節能產品惠民工程實施範圍，採取財政補貼方式進行推廣。

為貫徹落實國務院《“十二五”節能減排綜合性工作方案》和《“十二五”節能環保產業發展規劃》，促進高效節能機電設備（產品）的推廣應用，結合工業、通信業節能減排工作實際，工業和信息化部於2013年2月21日發布了《節能機電設備（產品）推薦目錄（第四批）》。

工信部2013年3月26日印發的《2013年工業節能與綠色發展專項行動實施方案》通知提出，2013年將重點推進實施電機能效提升專項計劃。專項行動實施的目標為：實現全國工業用電節約1%（300億度左右），探索工業節能與綠色發展的模式和實現途徑，實現以點帶面，帶動工業節能與綜合利用整體工作取得進展。根據實施方案，2013年工信部將從推廣高效電機、淘汰低效電機以及既有電機系統節能技術改造等6個方面入手，推廣、淘汰和節能改造電機及電機系統1億千瓦，擴大高效電機市場份額，促進電機產品升級換代和產業升級。

工信部和國家質檢總局6月21日聯合印發《電機能效提升計劃（2013-2015年）》，計劃提出到2015年累計推廣高效電機1.7億千瓦，淘汰在用低效電機1.6億千瓦，實施電機系統節能技改1億千瓦，實施淘汰電機高效再製造2000萬千瓦。

研製高效電機的同時，採用變頻調速技術是另一項行之有效的節能措施。高效電機和變頻電機試驗對測試設備的功能及性能指標提出了較高的要求，為了準確獲取電機的效率，應該採用帶微處理器的寬頻功率分析儀和準確級較高的變頻電量變送器/感測器。

標準化電機試驗台是響應節能減排，針對電機能效提升計劃而推出的新型試驗系統。標準化電機試驗台將複雜系統標準化、儀器化，提高了系統可靠性，簡化了安裝調試過程，降低了系統成本。

1、數字電源

滿足GB/T1032-2012和GB755-2008對電機試驗電源的要求，受程序控制進行相應操作。

2、變頻功率感測器

滿足性能設計要求，對試驗過程中主要電參量進行測量，通過光纖傳輸到試驗台變頻功率分析儀。

3、開關量測控

採用分散式測控系統完成對包括電源櫃、測量開關櫃等系統中所有開關的控制和測試。

4、模擬量測試

採用分散式測控系統完成對8路溫度和1路扭矩和轉速進行測試，通過光纖傳輸到試驗台變頻功率分析儀。

5、自動化試驗台

通過各介面完成對設備的通信控制、獲得試驗過程的電量和非電量測量數據；

根據試驗項目完成對試驗電源的配置，對開關狀態進行控制，通過軟體設計實現試驗項目的過程式控制制，完成試驗過程，並獲取相應的試驗數據；

根據標準對試驗過程獲得的數據進行處理，獲得試驗結果，形成試驗報告；

試驗報告存儲、列印。