高效電機

歷史

高效電機從設(shè)計、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，中國電動機總?cè)萘考s400GW，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(jié)電潛力約為12TW·h。
 

從節(jié)約能源、保護環(huán)境出發(fā)，高效率電動機是現(xiàn)今國際發(fā)展趨勢，美國、加拿大、歐洲相繼頒布了有關(guān)法規(guī)。歐洲根據(jù)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。最新出臺的IEC 60034-30標準將電機效率分為IE1（對應(yīng)eff2）、IE2（對應(yīng)eff1）、IE3、IE4（最高）四個等級。我國承諾從2011年7月1日起執(zhí)行IE2及以上標準。
 

隨著我國加入WTO，我國電機行業(yè)所面臨的國際社會的巨大競爭壓力和挑戰(zhàn)日益加劇。從國際和國內(nèi)發(fā)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(chǎn)品發(fā)展的要求，使我國電動機產(chǎn)品跟上國際發(fā)展潮流，同時也有利于推進行業(yè)技術(shù)進步和產(chǎn)品出口的需要。據(jù)統(tǒng)計，2002年我國電機耗電占全國耗電量的60%以上，其中小型三項異步電機耗電約占35%，是耗電大戶，所以開發(fā)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(fā)展的需要，是非常必要的。
 

目前我國工業(yè)能耗約占總能耗的70%，其中電機能耗約占工業(yè)能耗的60%~70%，加上非工業(yè)電機能耗，電機實際能耗約占總能耗的50%以上。而現(xiàn)今高效節(jié)能電機應(yīng)用比例低。根據(jù)國家中小電機質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對國內(nèi)重點企業(yè)198臺電機的抽樣調(diào)查，其中達到2級以上的高效節(jié)能電機比例只有8%。這對整個社會資源產(chǎn)生了極大的浪費。
 

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

節(jié)能措施

電動機提高效率的措施。電機的節(jié)能是一項系統(tǒng)工程，涉及電動機的全壽命周期，從電動機的設(shè)計、制造到電動機的選型、運行、調(diào)節(jié)、檢修、報廢，要從電動機的整個壽命周期考慮其節(jié)能措施的效果，國內(nèi)外在這方面主要考慮從以下幾個方面提高電機的效率。
節(jié)能電動機的設(shè)計是指運用優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、新材料技術(shù)、控制技術(shù)、集成技術(shù)、試驗檢測技術(shù)等現(xiàn)代設(shè)計手段，減小電動機的功率損耗，提高電動機的效率，設(shè)計出高效的電動機。
電動機在將電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電阻損耗和電刷電阻損耗；固定損耗與負荷無關(guān)，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(fēng)扇、轉(zhuǎn)子等由于旋轉(zhuǎn)引起的風(fēng)阻損耗；

五大損耗

定子I^2R損耗

降低電動機定子I^2R損耗的主要手段實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(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%。
 

轉(zhuǎn)子I^2R損耗

電動機轉(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，這對小電動機較有意義，因為小電動機一般為鑄鋁轉(zhuǎn)子，若采用鑄銅轉(zhuǎn)子，電動機總損失可減少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%.
 

鐵耗

電動機鐵耗可以由以下措施減?。?br />（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，但薄鐵芯片會增加鐵芯片數(shù)目和電機制造陳本；
（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)力會嚴重影響電動機的損耗，硅鋼片加工時，裁剪方向、沖剪應(yīng)力對鐵芯損耗的影響較大。順著硅鋼片的碾軋方向裁剪、并對硅鋼沖片進行熱處理，可降低10%～20%的損耗 等方法來實現(xiàn)。
 

雜散損耗

如今對電動機雜散損耗的認識仍然處于研究階段，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）通過改進定子繞組設(shè)計減少諧波；
（4）改進轉(zhuǎn)子槽配合設(shè)計和配合減少諧波，增加定、轉(zhuǎn)子齒槽、把轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計成斜槽、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機定子鐵芯槽口，是減少附加雜散損耗的有效方法。
 

風(fēng)摩耗

到人們應(yīng)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?。?br /> （1）盡量減小軸的尺寸，但需滿足輸出扭矩和轉(zhuǎn)子動力學(xué)的要求；
（2）使用高效軸承；
（3）使用高效潤滑系統(tǒng)及潤滑劑；
（5）采用先進的密封技術(shù)，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(zhuǎn)動的45mm直徑的軸降低損耗近50 W；流動損失是由冷卻風(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(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部件分析，好的流體力學(xué)和傳熱學(xué)設(shè)計會極大提高電動機的冷卻效率并降低流動損失。
 

美國于本世紀初又出現(xiàn)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，因此對于長期連續(xù)運行、負荷率較高的場合，節(jié)能效果更為明顯。要實現(xiàn)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(fēng)扇尺寸等措施外，還必須在新材料的應(yīng)用、電機制造工藝以及優(yōu)化設(shè)計等方面采取措施，以控制成本和滿足電機結(jié)構(gòu)尺寸的限制。國外很多企業(yè)在這些方面開展了積極的研究，并取得了一些進展。一般電工鋼片經(jīng)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(yīng)用一新研制成功的電工鋼片，加工成鐵心制成電機，鐵耗在加工前后變化不大。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。該公司聲稱由于改進了制造工藝和采用新材料，使高效電機的成本下降了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，縮短間隙長度，從而減小勵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，電機總損耗將可顯著下降。這些年，國際銅業(yè)協(xié)會在美國能源部的支持下，進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)濟地批量生產(chǎn)鑄銅轉(zhuǎn)子電機。2003年6月，德國SEW Eurodrive公司已運用此項壓鑄技術(shù)成功地推出了采用鑄銅轉(zhuǎn)子的齒輪電動機系列。意大利科技教育部組織相關(guān)機構(gòu)開展了鑄銅轉(zhuǎn)子和鑄鋁轉(zhuǎn)子的性能數(shù)據(jù)對比試驗項目。該項目由意大利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(zhuǎn)子槽形，僅改變磁性材料和長度的情況下進行，所得的數(shù)據(jù)表明，采用鑄銅轉(zhuǎn)子，可使電動機的能耗在原有基礎(chǔ)上降低15%～25%，電機效率可提高2%～5%。但由于轉(zhuǎn)子電阻降低會引起啟動轉(zhuǎn)矩下降，因此在設(shè)計時應(yīng)進行其他參數(shù)的調(diào)整，以使之在提高效率的同時，滿足其他主要性能指標。
 

行業(yè)概況

產(chǎn)量變化預(yù)測

國家在煤炭、礦業(yè)、裝備制造等行業(yè)整合、重組，將進一步推動中型電機產(chǎn)品的需求和發(fā)展。國家節(jié)能減排政策的深入落實，對電機系統(tǒng)節(jié)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(tǒng)運行的高效率轉(zhuǎn)變，并最終促進電機產(chǎn)品市場的進一步細分，推動特殊、專用產(chǎn)品和成套系統(tǒng)的發(fā)展。這不僅對中小型電機的設(shè)計、生產(chǎn)提出了更高的要求，同時也提供了更廣闊的產(chǎn)品應(yīng)用空間、經(jīng)濟利潤空間和行業(yè)發(fā)展空間。未來五年國家將采用財政補貼方式推廣中小型節(jié)能高效電機等產(chǎn)品，預(yù)計未來五年中小型節(jié)能高效電機產(chǎn)量將得到爆發(fā)性增長，年均增長率為58.07%。中小型節(jié)能高效電機產(chǎn)量經(jīng)過2013年的高速發(fā)展，到2014年增長趨勢趨于穩(wěn)定，增長率小幅下降，但難以改變中小型節(jié)能高效電機產(chǎn)量大幅增長的趨勢，2016年中小型節(jié)能高效電機產(chǎn)量將增長到21840萬千瓦。
 

市場規(guī)模增長

2007-2011年中小型節(jié)能高效電機市場規(guī)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(jié)能高效電機行業(yè)市場規(guī)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(jié)能高效電機市場規(guī)模年均增長率在69.36%，預(yù)計到2016年中國中小型節(jié)能高效電機行業(yè)市場規(guī)模將達到1092億元，占中小型電機市場規(guī)模的61%。中小型節(jié)能高效電機市場規(guī)?；鶖?shù)小，導(dǎo)致市場規(guī)模增長率遠遠高于中小型電機規(guī)模增長率，并將長期維持此高增長態(tài)勢。經(jīng)過2013年爆發(fā)性增長后，中小型節(jié)能高效電機市場規(guī)模仍保持高速發(fā)展，但增長速度開始趨穩(wěn)。
 

國內(nèi)動態(tài)

2010年6月2日，財政部、國家發(fā)展改革委聯(lián)合出臺《關(guān)于印發(fā)節(jié)能產(chǎn)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(jié)能產(chǎn)品惠民工程實施范圍，采取財政補貼方式進行推廣。
為貫徹落實國務(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》，促進高效節(jié)能機電設(shè)備（產(chǎn)品）的推廣應(yīng)用，結(jié)合工業(yè)、通信業(yè)節(jié)能減排工作實際，工業(yè)和信息化部于2013年2月21日發(fā)布了《節(jié)能機電設(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(xiàn)全國工業(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)展的模式和實現(xiàn)途徑，實現(xiàn)以點帶面，帶動工業(yè)節(jié)能與綜合利用整體工作取得進展。根據(jù)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(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造等6個方面入手，推廣、淘汰和節(jié)能改造電機及電機系統(tǒng)1億千瓦，擴大高效電機市場份額，促進電機產(chǎn)品升級換代和產(chǎn)業(yè)升級。工信部和國家質(zhì)檢總局6月21日聯(lián)合印發(fā)《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(tǒng)節(jié)能技改1億千瓦，實施淘汰電機高效再制造2000萬千瓦。

試驗臺

研制高效電機的同時，采用變頻調(diào)速技術(shù)是另一項行之有效的節(jié)能措施。高效電機和變頻電機試驗對測試設(shè)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(yīng)該采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/傳感器。

標準化電機試驗臺是響應(yīng)節(jié)能減排，針對電機能效提升計劃而推出的新型試驗系統(tǒng)。標準化電機試驗臺將復(fù)雜系統(tǒng)標準化、儀器化，提高了系統(tǒng)可靠性，簡化了安裝調(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對電機試驗電源的要求，受程序控制進行相應(yīng)操作。
 

2、變頻功率傳感器
 

滿足性能設(shè)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臺變頻功率分析儀。
 

3、開關(guān)量測控
 

采用分布式測控系統(tǒng)完成對包括電源柜、測量開關(guān)柜等系統(tǒng)中所有開關(guān)的控制和測試。
 

4、模擬量測試
 

采用分布式測控系統(tǒng)完成對8路溫度和1路扭矩和轉(zhuǎn)速進行測試，通過光纖傳輸?shù)皆囼炁_變頻功率分析儀。
 

5、自動化試驗臺
 

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

根據(jù)試驗項目完成對試驗電源的配置，對開關(guān)狀態(tài)進行控制，通過軟件設(shè)計實現(xiàn)試驗項目的過程控制，完成試驗過程，并獲取相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)；

根據(jù)標準對試驗過程獲得的數(shù)據(jù)進行處理，獲得試驗結(jié)果，形成試驗報告；
 

試驗報告存儲、打印