高效电机

高效电机

随着能源的日益匾乏，节能降耗成为目前国际社会发展所面临的一项极为紧迫的任务，而电动机作为各种设备的动力，被广泛应用于钢铁、冶金、油田、煤炭等行业，据统计，2010年我国全社会耗电量达到4.19万亿千瓦时，其中工业耗电量占总耗电量的70%，而电机系统的耗电量则又占工业总耗电量的60%-70%，因此实现电机行业的节能降耗在整个节能降耗工程中具有举足轻重的地位。

然而，与发达国家相比，我国能源利用率仍具有较大差距，主要体现在我国市场上现行使用的电动机的平均效率仅为87%，该效率水平相当于国际电工委员会(IEC)能效标准的最低一级，即IE 1效率等级。按照节能中长期规划中明确的指标要求，到2010年我国电动机的效率水平应提高3个百分点，达到IE2效率等级(电动机平均效率为90%)，而欧洲到2008年就会强制执行该标准，美国在2010年则将强制执行要求更高的IE3效率等级(电动机平均效率达到92%)。由此可见，我国在高效节能电机的研制及推广应用方面远远落后于发达国家。这主要是由于我国的高效电机研制和推广的力度不够，例如，在我国目前各行业中大量应用的仍是只具有普通效率Y系列和Y2系列电机，除此之外，仍然还存在着大量J系列和JO系列的老旧电机，尽管国家己经公布了淘汰期限，但由于实施力度欠缺以及没有相关法规作为依据，导致仍有大量的老旧电机仍在运行。以北京地区为例:根据北京市节能环保中心的统计，全市166家重点耗能单位中，就有12.5万千瓦国家已明令淘汰的老旧电机仍在使用。综合上述分析，我国电机行业的节能潜力巨大。

为了提高能源利用率，实现节能减排目标，一个重要途径就是大力推广应用高效节能电机，这一方法尤其适用于需要运行时间长且负荷较高的场合，例如钢铁、油田、纺织、化工等，这些行业所用的电机往往需要全天24小时不间断运行，如果都采用高效节能电机，节能效果将非常显著。这不仅可以节约电能降低企业生产成本，具有良好的经济效益，同时也可减少碳排放量，产生良好社会效益。因此，从节约能源和保护环境角度考虑，开展高效、超高效电机的研制工作是一项刻不容缓的任务。

在高效、超高效电机研制过程中，一项重要任务就是采取能够计及多种非线性及复杂结构影响因素的损耗计算方法，研究电机定转子不同结构参数、材料性能以及其它影响因素对电机损耗的具体影响程度，然后在对电机各项损耗进行系统分析的基础上，对电机的结构进行改进设计，最终得出最佳设计方案，达到降耗的目的。因此，对电机损耗特性进行细致分析是超高效异步电机研制工作的首要任务，为了达到这一目的，利用基于现代计算机技术的新型损耗计算方法对电机损耗从微观角度进行系统分析，对如何制定节能降耗方案具有理论指导意义。

此外，在超高效电机的研制过程中，对电机损耗的准确测试也是非常重要的。长期以来，电机附加损耗的构成和影响因素较为复杂，测试也相对困难，以往的处理方式都是利用输入功率的0.5%来代替，而实际测试中这一比例并不能反映其真实损耗值，这就会导致些实际上并没有达到高效率的电机被判定为高效率电机，使电机效率界定产生误差。在IEC最新标准中，明确推荐按照112B法对附加损耗进行测量，而整个测试过程中，对电机空载铁耗的准确测试以及分离是一个关键环节，但是由于空载铁耗的影响因素繁多，因此，如何实现异步电机空载铁耗的准确测试，对超高效电机的损耗测试以及效率判定均具有重要意义。.2国内外超高效电机发展动态及应用现状

2. 1国外超高效电机发展动态及应用现状

目前，世界各国都在致力于研究开发高效率电机，在一些发达国家，超高效电机的推广应用也具有一定规模。例如，欧盟从2008年开始已将高效率电机((IE2水平)作为强制性最低标准;而美国从2010年开始，已经强制执行超高效率(IE3水平)电机标准;而加拿大、墨西哥、巴西等国均采用了美国能效标准，澳大利亚、新西兰、印度等国采用来欧盟的能效标准。

在高效电机推广应用方面，欧盟和美国早在本世纪初就已实施了“电机挑战计划(MotorChallenge Program)"。欧盟电机挑战计划的目的是实现电机系统节能，使环境影响最小化，减少二氧化碳的排放量，提高欧洲工业的竞争力，减少对能源进口的依赖，出台相应的法规，并针对潜在用户开展信息传播及向潜在用户大力宣传决策工具;美国的电机挑战计划是由美国能源部(DOE)组织编制的，又称电机系统节能规划，该计划的目标是在设计、采购及企业电机系统管理方面，通过改进系统方法达到改善企业效率，提高生产力，减排温室气体的目的。经过长时间实施证明，电机挑战计划是一项非常好的促进高效电机应用的有效措施。

1.2.2我国超高效电机发展动态及应用现状

我国在“十一五”期间的《节能中长期专项规划》中要求，到2010年我国电机的效率水平才能达到IE2效率等级，由此可见，在超高效电机研制和推广方面，我国与国际先进国家相比，存在明显差距，但也已经做出了巨大努力。

在《“十一五”规划纲要》中将电机节能列为十大节能重点工程之一，同时，国家还出台多项政策鼓励电机节能技术的研发和节能电机的应用，这在很大程度上促进了我国高效节能电机的研发和推广的进程，同时也取得了阶段性成果。

在“十一五”期间，由上海电器科学研究所(集团)有限公司作为牵头单位、华北电力大学、河北电机股份有限公司、山东华力电机集团股份有限公司、西安西玛电机(集团)有限公司、浙江金龙电机股份有限公司、江门市江晨电机厂有限公司、威灵清江电机有限公司等多家国内电机骨干企业所共同承担的国家科技支撑计划“高效、超高效电机设计制造技术及测试技术研究”(项目号:2008BAF34B01) 。该课题的总体目标就是完成高效和超高效两个系列电机产品的设计制造，开发出满足IE2效率水平的高效率电机系列产品;在此基础上，进一步研制出满足IE3效率水平的超高效率电机系列产品;同时研究符合新的IEC标准的高效和超高效三相异步电机的效率测试方法、制订相应的国家标准，并在国内20个主流生产厂家推广，为进一步实现产业化奠定坚实的基础。

同时，由上海电科电机科技有限公司作为牵头单位、华北电力大学参加的国家高技术研究发展计划(863计划)课题“达到IE3标准的节能型三相异步电机核心技术研究”(项目号:2009AAOSZ207) 。该项目的核心任务就在于研究能够降低电机损耗的关键技术，主要包括电机附加损耗的参数带研究，谐波及附加损耗的时步有限元分析、风路元件、结构及轴承系统对机械损耗的影响及降耗措施研究，新型节能绕组型式及降低铜耗措施研究以及冷轧硅钢片冲剪应力的影响及如何降低铁耗等，最终设计完成达到IE3效率标准的超高效率三相异步电机系列产品设计及部分规格样机试制;同时，对电机损耗和效率测试的不确定评估技术以及低不确定度的电机附加损耗测试方法也开展了相应研究。

此外，包括国际铜业协会(中国)、北京毕捷电机股份有限公司、佳木斯电机股份有限公司、清华大学等多家企业和科研院所也开展了大量的超高效电机的研究工作。尽管我国在电机节能方面也开展了大量研究工作，同时也形成了阶段性的成果，但是为了促进电机系统节能工程的进一步落实，紧密配合电机系统节能工程的相关工作，更好地开展国际间电机系统的节能交流，为制造企业和用户搭建一个开发、推广和应用高效电机系统的交流平台，应积极创建中国的电机挑战计划，并通过该计划的一系列行动，整体提高我国电机系统能源利用率水平，切实推动电机系统的节能工作的进一步顺利开展。

3超高效电机研制的关键技术问题概述

降低超高效电机各类损耗的关键技术研究，主要途径就在于大幅度降低电机各项损耗，这就要求对电机各类损耗产生的机理进行极其深入细致的研究，充分挖掘降低各类损耗的潜力，这不再是单一的电磁设计，而是要基于传统电机设计模型建立更为精确的数学物理模型，并综合考虑工艺，材料，加工精度，结构，性价比等各种因素进行研究，进而提出解决降低

电机各种损耗的关键工艺和设计技术，包括超高效电机的结构设计及制造工艺，转子工艺参数，降低铜耗的绕组技术，降低风摩耗的风路元件、通风系统和轴承系统的设计，电机制造工艺研究以降低附加损耗的研究等。综上，可将开展超高效电机研制工作中需要面临的关键技术简要概括为以下几方面:

1）在电机损耗计算与分析方面的研究:传统基于磁路分析的损耗计算方法，在我国以往系列电机设计中起到主要作用，例如Y, Y2, Y3系列异步电机，但这种方法存在经验系数繁多、无法分析损耗局部分布等局限性。为了解决这一问题，国内外研究人员开展了基于现代计算机技术的新型损耗分析方法的研究，这方面应用最广泛的就是有限元法，该方法可以方便处理任意结构、任意边界条件以及复杂的源分布所带来的问题，同时还可以计及电机内部的饱和以及非线性等复杂问题，在电机设计方面具有独特优势。为此，针对超高效电机损耗进行有限元仿真分析研究，对于从微观角度揭示电机内部损耗特性具有重要理论价值，同时也可为进一步研究如何对电机结构进行改进设计提供必要技术参考。

2)在电机损耗影响因素以及电机结构改进方面的研究:由于电机损耗的影响因素繁多，分别涉及电机铁心结构、绕组结构与制造工艺等方面。其中铁心结构方面的影响因素最多，这主要包括定转子槽配合、气隙大小、斜槽及槽斜度、槽形尺寸、槽型(闭口槽或半闭口槽)以及定子侧结构件等。数十年来，限于计算手段的限制，在异步电机设计中，铁心结构方面多采用不计饱和影响的理论值或经验值，这种处理方法无法针对某一具体因素对损耗的具体影响程度进行深入研究。因此，在超高效电机研制初期，需要针对不同电机结构建立有限元模型，通过改变不同电机结构以及材料性能参数，分析不同因素对电机损耗的具体影响程度，并在此基础上寻求最佳设计方案，最终达到降耗目的。

3)在电机损耗测试方面的研究:在IEC最新电机测试标准IEC60034-2-1《旋转电机(牵引电机除外)确定效率和损耗的试验方法》中，规定IEEEl12B法为唯一的低不确定度的测试方法。因此，要想研制真正符合超高效率水平的电机，必须要对低不确定度的IEEE 1I 2B 法进行系统研究，其重点在于研究低功率因数条件下输入功率的精确测量、低不确定度附加损耗和效率测试技术以及不确定度评价技术。

4)有利于降低损耗的其它措施研究，在超高效电机研制中，还涉及到电机铁心材料、绕组型式、制造工艺以及如何降低机械损耗方面的研究，通过开展此类研究也可从一定程度上达到降耗的目的，在此简要分析如下:

①在铁心材料方面的研究:包括如何合理选择定转子铁心材料，即硅钢片牌号的正确选择，使得铁心饱和程度与铁心损耗之间能够合理匹配;此外，由于冷轧硅钢片受冲剪变形的影响较大，故还需要研究冷轧硅钢片冲剪变形对铁耗的影响。

②新型节能绕组型式的研究:研究新型节能定子绕组型式以降低基本铜耗和附加损耗，定子绕组新结构既降低谐波损耗，又节约绕组材料，达到降低基本铜耗的目的，同时能够显著降低端部区域基频附加损耗。

③在制造工艺方面的研究:提高电机制造工艺水平，也可从一定程度上降低电机损耗，这主要包括冲片退火工艺、冲片模具加工工艺、冲剪工艺、铁心压装工艺、冲片间绝缘工艺、转子加工工艺、铸铝工艺、转子轴以及轴承室加工工艺等。

④在电机风路及轴承系统的改进方面的研究:主要研究风路元件、风路结构及轴承系统对机械损耗的影响，同时探索出一种高效率通风系统和轴承系统，以降低机械损耗，这就要求在需要降低通风损耗的同时还能保证电机的合理温升，以便使得风摩耗与其它各项损耗形成合理匹配，进而达到最高效率点。

以上各项关键技术中，电机损耗计算与分析方面的研究可以看做是超高效电机研制工作的首要任务;对不同因素对电机损耗影响程度从微观角度进行系统分析，并在此基础上对传统结构进行改进设计，对超高效电机的成功研制起到至关重要的作用;开展电机损耗测试方

面研究，也是超高效电机效率测试的一个关键环节，将直接影响附加损耗测试精度以及效率判定的正确性。此外，在铁心材料、新型节能绕组型式、制造工艺以及电机风路及轴承系统方面的研究，也可视为超高效电机研制工作中降低损耗的一个有效途径。由于上述关键技术涉及到众多复杂问题，本文难以一一对其详细进行系统研究。鉴于此，文中主要针对电机损耗计算方法、不同影响因素对电机损耗的具体影响程度、结构的改进设计以及电机损耗测试方面开展深入研究。本文的研究成果为超高效电机的研制工作奠定了理论基础，同时也为超高效电机研制工作提供必要的技术支持以及可供参考的设计方案。