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关于发展我国超高效率电机的一些考虑
来源：(上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海200063)作者：秦和概况
由于能源和环境问题的日显重要，对于工业领域中的主要动力设备—中小型异步电机，国际上自上世纪70年代出现高效率电机后，于上世纪90年代又出现了更高效率的所谓“超高效率电机”。一般而言，高效率电机与普通电机相比，损耗平均下降20％左右，而超高效率电机则比普通电机损耗平均下降30％以上。因为超高效电机的损耗较高效率电机更进一步下降，因此对于长期连续运行、负荷率较高的场合，节能效果更为明显。在上世纪90年代初，美国电机制造商协会(NEMA)在制订了高效率电机效率标准(NEMA 12—10)后不久，针对市场上出现的超效率电机，制订了相应的效率标准，即NEMAE设计标准（NEMA12—11）。在2001年，美国NEMA又与美国能源效率联盟（CEE）联合制订了新的超高效率电机标准（NEMA12—12），一般称为NEMA Premium标准。后者较NEMA12—10标准，效率提高了1~3个百分点、损耗平均下降了20%左右。此外，美国电气与电子工程师学会（IEEE）为化工石油行业中的重载电机制定了一个行业标准（IEEE841-2001），其中包含了效率指标，其中包含了效率指标，其效率指标NEMA12—10标准提高0.5~1.5个百分点，损耗平均下降了10%左右。目前该标准在美国石油化工、造纸、冶金等工业部门得到较广泛的应用。由于NEMAE设计的启动电流偏大，未获推广，目前在美国较广泛应用的超高效率电机标准NEMA Premium标准和IEEE841—200l标准[1]。澳大利亚近年对电机能效标准进行了修订，为获得较好的节能效果，决定将欧盟EU—CEMEP标准所规定的高效率电机指标(eff 1)作为其强制性能效限定值，而将超高效率电机效率指标作为高效率电机效率标准，鼓励运行时间长、负荷率高的用户积极采用。该标准已于2004年6月批准，定于2006年起实施，其高效率电机效率指标较能效限定值损耗平均下降15％左右[2]。由于能源节约的重要性，在我国也有必要对超高效率电机的发展和应用进行必要的探讨。超高效率电机的节能潜力和经济效益
根据国内外调查，工业领域电机年平均运行时间约在3000h左右，但在石油、化工、造纸、冶金、电力等行业，电机年运行时间往往超过6000h。对于这些运行时间长的场合，如采用超高效率电机将会对能源节约带来更显著的效果。我国2003年的发电量为l8500亿kwh。由于发电量的50％通过电机传递，而三相异步电机占90％，其中一般用途的Y系列电机又占70％，因此Y系列电机将传递31．5％的总电能，即5800亿kwh。若这些电机全部换成高效率电机，也即效率提高2．75个百分点、损耗平均下降20％左右，则每年可节约电能160亿kwh[3]。如果考虑其中的30％的电机运行在6000h以上的场合，将这部分电机改用超高效率电机，也即效率再提高I．5～2个百分点，损耗平均下降15％左右，则可再节约电能46亿kwh，相应可再节约170万t标煤，约合240万t原煤．并可再节约一座100万kw电站的投资建设。
应用超高效电机对于使用者在经济上也是颇为有利的。现以一台l1kw4极电机为例，对超高效电机与普通电机进行全生命周期总费用计算的比较。设电机生命周期为15年，年运行时间为6000h，负荷率为0．68，贴现率为6％，电费约为0．5元／kwh，Y系列电机效率为0．88；现假定超高效电机YXX的效率为0．913，计算出该电机的总费用如表1所示。
超高效电机的价格较普通电机一般要贵30％～60％，现取(60％计算)，从该表数据可见，虽然初始投资增加了1200元，但电费节约了8950元，从而使电机整个生命周期的总费用降低了7750元。
现再用投资回收年限方法进行上述两种电机的比较。
电机效率提高后每年的电能节约量可用下式计算：
表1 11kW4极电机总费比较
W=P×H×K×(1/ y1-1/ y2)
(1)
式中：P一电机功率；
H一年运行小时；
K一负荷率；
y1，y2一分别为电机原效率和提高后的效率。
将前述参数代入，可得每年电能节约量W为1843．37 kWh
若电费为0．5元／kwh，则每年节约电费922元。由于电机价格如前述增加了1200元，因此仅需1．3年，初始投资的增加即可收回。3 超高效率电机效率指标的确定
为促进超高效率电机的发展，有必要制定一些超高效率电机的效率指标．国家也对节能潜力大、使用面广的用能产品将实行统一的能源效率标识制度。如2004年8月，《能源效率标识管理办法》由国家发改委与国家质检总局颁布，并定于2005年3月1日起实施。电机作为重要的用能产品，也很可能在不久的将来被列入能效标识管理的范围，要求将电机的效率分成不同的等级，并规定在电机上贴上表明其效率等级的标识，以便用户清楚地了解该电机的效率水平，便于选用。为此，应对现行的电机能效标准(GBl8613—2002)进行修订。对于未来的电机能效标准．建议分成3个级别。其中3级效率为能效限定值，即电机必须达到的最低效率水平，其指标数值建议采用现行电机能效标准(GBl 8613—2002)的节能评价值指标[3]。该指标相当于欧盟EU—CEMEP的eff 1指标．即为高效率电机的效率水平。如将我国目前的电机效率提高到这一水平，如前所述，每年可节约电能160亿kwh。2级效率的指标则建议对应于3级效率指标的损耗下降15％左右，也即与澳大利亚将于2006年实施的高效率电机指标相同。1级效率的指标则建议对应于3级效率指标的损耗下降25％左右，也即相当于美国NEMA Premium超高效率电机的水平。由于3级效率为目前我国高效率电机的水平，因此效率高于其指标的l级和2级效率即可视为我国目前的超高效率电机的高、低两档产品的指标，可供用户选用。
图1给出了4级电机l级、2级、3级效率建议值和现行能效标准GBl8613—2002能效限定值的比较。图2给出了4级电机l级、2级效率建议值与美国NEMA Premium超高效率电机和IEEE—841标准的效率比较。图3给出了2级电机l级、2级效率建议值与美国NEMA Premium和IEEE—841标准的效率比较。从图
2、图3曲线可见 ：1级效率建议值与美国NEMA Premium超高效率水平相当；由于美国电机频率为60Hz，我国电机频率为50Hz，所以4级电机NEMA Premium效率略高，而2级电机则是我国1级效率建议值略高，2级效率建议值则与美国IEEE—841标准相当。
应该指出，我国目前的GBl8613—2002，以及上述未来修订后能效标准中1级、2级、3级效率建议值的效率指标，是根据杂散损耗按0．5％输入功率来计算的，而美国NEMA Premium和IEEE一841所规定的效率指标，是根据杂散损耗按实测确定的。为进行比较，图2和图3中的效率数值已在IEC 61972标准所推荐的杂耗假定值基础上，根据实际修正折算而得。
图1 1级、2级、3级、效率建议值(4极电机)和
GB 18613—2002能效限定值的比较
图2 1级、2级效率建议值(4极电机)与NEMA Premium
和IEEE一841标准的效率比较
图3 1级、2级效率建议值(2极电机)与MEMA Premium
和IEEE一841标准的效率比较
图4不同磁性材料电机铁耗受加工过程影响的比较
在表2中列出了对于未来的电机能效标准，1级、2级、3级效率的建议值。
表2电机效率分级建议值
注：容差应符合GB755—2000第11章的规定。4 降低损耗、提高效率途径
超高效率电机的制造除了增加硅钢片和铜线的用量以及缩小风扇尺寸等措施外，还必须在新的材料的应用、电机制造工艺及优化设计等方面采取措施，以降低制造费用急剧增加的压力以及满足电机结构空间尺寸的限制。
英国Brook Hansen公司与钢厂合作，研制成功一种新的牌号为Polycor 420的电工钢片。一般电工钢片经加工成铁心压装入机座后，铁耗大幅度增加，而由该钢片制成的电机，铁耗在加工前后变化不大。图4给出了该公司在一台22kw电机上用不同磁性材料所做的对比试验。图中Newcor800 65和Losil 450 50两牌号为原用磁性材料[4]。
日本东芝公司为美国高效率电机和超高效率电机的主要供货商之一。该公司声称由于制造工艺的改进和采用新材料，使高效率电机的成本下降了30％。所采取的措施包括：应用特殊的下线工具，提高定子槽满率，增加铜线的截面积，提高制造精度，缩短气隙长度，从而减小励磁电流及其所引起的铜耗；采用转子槽绝缘工艺，从而降低杂散损耗；采用激光铁心叠压工具，从而使铁耗下降。在表3中列出了东芝公司为提高效率所采取的措施和其相应的效果[5]。
表3 东芝公司提高效率的措施
注：(*)一标准设计，标准电工钢片(5．3W／kg)；
(×)一标准设计，低损耗电工钢片(3．3W／kg)；
(+)一增加铁心长度(130mm →155mm)，标准电工钢片；
(0)一增加铁心长度(130mm →155mm)，低损耗电工钢片
(△)一增加铁心长度(160mm →180mm)，低损耗电工钢片。表4铸铜和铸铝转子电机效率对比
由于铜比铝的电阻率低40％左右，所以如果将铸铜转子代替铸铝转子，电机总损耗将可显著下降。近年国际铜业协会在美国能源部的支持下，进行了压力铸铜工艺的研究，目前已解决高温模具的材料以及相关的压铸工艺问题，从而使得有可能较经济地批量生产铸铜转子电机。2003年6月，德国SEW Eurodrive公司运用此项压铸技术成功地推出一采用铸铜转子的齿轮电机系列，功率为1．1～5．5kW。表4为意大利科技教育部组织的铸铜转子和铸铝转子对比试验项目的数据比较[6]。该项目由意大利LAFERT电机公司、ThyenKrupp钢铁公司和法国FAVI铸铜公司合作进行。试验在不改变定、转子槽形，仅改变磁性材料和长度的情况下进行。由该表数据可见，采用铸铜转子，电机效率可提高2％～5％。但由于转子电阻降低会引起转动转矩下降，因此在设计时应进行其他参数的调整，以使在提高效率的同时，满足其他的主要性能指标。另外，由该表数据可见，铸铜转子电机杂散损耗显著下降，这对提高电机的效率也颇为有利。5 结语
在我国能源供应日益紧迫的情况下，对于一些长期连续运行、负荷率较高的场合，采用更高效率的电机在节约能源上是颇为有效的，同时在经济上也是合理的。因采用超高效率电机而造成的初始投资增加，一般在2年左右即可收回。为了促进电机节能事业的发展，并结合《能源效率标识管理办法》的贯彻，建议对现行的电机能效标准进行修订：将电机能效标准分成3个等级，最低等级为目前的高效率电机水平，高等级指标即为目前的超高效率电机水平，以使能较大幅度地减少我国电机系统的能源消耗。另外，为了促进《超高效率电机》的发展，不仅要增加有效材料(硅钢片和铜线)的用量，而且要在电机制造工艺、新材料应用及优化设计等方面采取措施，从而降低制造成本．以利于推广应用。【参考文献】
[1]秦和．电机能效标准国内外综述[G]//第三届中国电机发展论坛专题报告集．2004．
[2] Australian／New Zealand Standard．Rotating electrical machines-general requirements．Part 5：Three—phase cage induction motors-high efficiency and minimum energy performance standards requirements[S] ．AS／NZS 1359．5．2004． [3]秦和．关于提高我国电机能效标准限定值的探讨[J]．电能效益，2004(10)． [4]Waiters D G．The whole Life Efficiency of Electric Motors US Developments[G]//Energy Efficiency Improvements in Electnc Motors and Drives．1997：81—93．
[5]Takaharu Watanabe．Efficiency Improvements in Induction Motors[G]//Energy Efficiency Improvements in Electnc Motors and Drives．1997：1 1 3—1 1 5． [6]Chiricozzi，E Parasiliti F，Villani M．New Materials and Innovative Technologies to Improve the Efficiency of Three Phase Induction Motors[D]．Department of Electrical Engineering，University of L’Aquila，Italy，2004． [7]国家发改委，国家质检总局．能源效率标识管理办法[S]．2004
