我國，電能大約有2/3是各種設(shè)備上的電動(dòng)機(jī)消耗的，而這些電動(dòng)機(jī)中有3/4屬于中小型異步電動(dòng)機(jī)，因此提高中小型異步電動(dòng)機(jī)的能效指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，保護(hù)環(huán)境，一直倍受國內(nèi)外關(guān)注。

1.國外異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能的發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)

國際上自20世紀(jì)70年代就研制出“高效率電機(jī)”，其損耗平均下降20%左右;90年代又研制出更高效率的所謂“超高效率電機(jī)”，其損耗比普通電機(jī)下降30%左右。90年代初，美國電機(jī)制造商協(xié)會(huì)(NEMA)制定了高效率電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)(NEMA12-10);不久又制訂了超高效率電機(jī)效率標(biāo)準(zhǔn)(NEMA12-11);2001年美國NEMA與美國能源效率聯(lián)盟(CEE)聯(lián)合制訂新的超高效率電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)(NEMA12-12)，一般稱為NEMApremium標(biāo)準(zhǔn)。其效率較NEMA12-10提高了1~3個(gè)百分點(diǎn)。

1999年歐盟與歐洲電力電子制造商協(xié)會(huì)(CEMEP)制訂了電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)(EU-CEMEP協(xié)議)。覆蓋了全封閉扇自冷(IP54，IP55)三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，功率從1.1～90kW、2、4極、電壓400V、50Hz，連續(xù)工作制S1。將其效率分為三級(jí)，即Eff1(高效率)、Eff2(改善效率)、Eff3(低效率)。2006年取消了Eff3這一級(jí)。EU-CEMEP協(xié)議對(duì)1.5kW、4極三相異步電動(dòng)機(jī)效率規(guī)定見表1。

2006年10月30日，國際電工委員會(huì)(IEC)為制訂單速三相異步電動(dòng)機(jī)的能效分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)在法蘭克福召開了第一次工作會(huì)議，新制訂的標(biāo)準(zhǔn)為IEC60034-30《三相單速鼠籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)能效分級(jí)》，預(yù)計(jì)該項(xiàng)工作將于2008年內(nèi)完成。該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了0.75～200kW、2、4、6極，50Hz和60Hz三相異步電動(dòng)機(jī)，其效率分為4級(jí)，即：A級(jí)為“超高效率”，B級(jí)為“高效率”，C級(jí)為“改進(jìn)效率”，D級(jí)為“標(biāo)準(zhǔn)效率”。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)1.5kW、4極、50Hz，效率的規(guī)定見表2。

2.我國電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)狀及問題

2002年1月10日，我國首次發(fā)布了要求強(qiáng)制執(zhí)行的中小型三相異步電動(dòng)機(jī)效率限值的標(biāo)準(zhǔn)：GB18613-2002《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)》，于2006年修訂為GB18613-2006《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》。其指標(biāo)相當(dāng)于歐盟EU-CEMEP協(xié)議的Eff1。我國的YX3高效率三相異步電動(dòng)機(jī)的效率規(guī)定也與此大體相當(dāng)。然而“由于強(qiáng)制性政策法規(guī)的缺乏，目前政府的執(zhí)法與監(jiān)督力度還相當(dāng)薄弱。”GB18613標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施存在著很大困難。致使“高效率電動(dòng)機(jī)的推廣應(yīng)用步履蹣跚。”自1997年開始，我國發(fā)電量和用電量居僅次于美國的第二位。“因我國電能利用效率低，每年造成的電能浪費(fèi)約2000億kW˙h，相當(dāng)于2.3個(gè)三峽電站26臺(tái)70kW發(fā)電機(jī)年發(fā)電量的總和[3]。”“我國GDP每增長1%，能源消耗就要增長1.5%”而合理能源增長應(yīng)為0.8%[4]。“我國與發(fā)達(dá)國家相比電能使用價(jià)值差距非常大。”每kW˙h所創(chuàng)造的工業(yè)產(chǎn)值歐盟國家為48元(折合人民幣，下同)，日本接近52元，我國只有20多元。不到發(fā)達(dá)國家平均水平的一半。“差距意味著潛能，說明節(jié)能降耗，提高電能利用率潛力巨大[5]。”因此，提高我國中小型電動(dòng)機(jī)的能效水平，是實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”的一個(gè)重要途徑。

自20世紀(jì)90年代，我國的一些科研院所、大專院校和工廠企業(yè)，開始著手研制高效率異步電動(dòng)機(jī)。主要途徑是增加有效材料用量，如加長鐵芯，降低鐵耗;加粗導(dǎo)線截面，以減少銅耗;轉(zhuǎn)子鑄銅以取代鑄鋁，以降低轉(zhuǎn)子電耗;轉(zhuǎn)子增加槽絕緣，以減少雜散損耗;……。根據(jù)文獻(xiàn)[1]介紹：“高效率電機(jī)樣機(jī)的有效材料用量與Y3系列電機(jī)相應(yīng)規(guī)格比較，每千瓦用銅、鐵和鋁分別增加了57.53%、30.59%和49.03%……”。根據(jù)文獻(xiàn)[2]介紹：“……Y2基本系列的效率算術(shù)平均值為86.77%。Y2-E設(shè)計(jì)的效率算術(shù)平均值為87.83%，效率提升了1.06個(gè)百分點(diǎn)。有效材料多用了13.6%，由此推測(cè)，當(dāng)效率從表1的87.52%提高到90.73%時(shí)，有效材料約比Y2基本系列多用41.2%。如果設(shè)計(jì)時(shí)再留0.5個(gè)百分點(diǎn)的余量，則有效材料約比Y2基本系列多用47.6%……”。高效率異步電動(dòng)機(jī)比原來的普通異步電動(dòng)機(jī)多用了近50%的有效材料，只是在電動(dòng)機(jī)使用過程中“節(jié)能減排”了。而這多用的近50%的材料也是要消耗能源進(jìn)行冶煉、軋制、加工、運(yùn)輸。因此，高效異步電動(dòng)機(jī)在制造過程中的“耗能增排”與使用過程中的“節(jié)能減排”到底抵消了多少，這筆帳值得細(xì)算。況且，材料使用多了，電動(dòng)機(jī)的體積和質(zhì)量也增加，這很可能影響到某些規(guī)格電動(dòng)機(jī)的外形及安裝尺寸，給廣大用戶在取代原有普通異步電動(dòng)機(jī)的過程中帶來麻煩。所以使中小型電動(dòng)機(jī)高效化，只盯在異步電動(dòng)機(jī)能耗指標(biāo)上并非上策。

3.稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的研制及效果

進(jìn)入21世紀(jì)，國內(nèi)外的一些科研機(jī)構(gòu)、大專院校和工廠企業(yè)，紛紛研制稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)。華怡特種電機(jī)于2007年也加入了這一行列，并取得了一些可喜的成績。其思路和電機(jī)界的同行們一樣，就是在Y系列或YS系列三相異步電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行：定子沖片仍用原來的異步電動(dòng)機(jī)的沖片;轉(zhuǎn)子沖片重新設(shè)計(jì)，除了沖有供異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的鼠籠槽數(shù)若干外，還要根據(jù)要求嵌放稀土永磁體的孔槽。待轉(zhuǎn)子鑄鋁、穿軸、加工后，將永磁體插入、粘牢于相應(yīng)的孔(或槽)內(nèi)即可。是用YS系列三相異步電動(dòng)機(jī)的YS90L-4這一規(guī)格進(jìn)行改型設(shè)計(jì)的：其鐵芯長由原來的90mm縮短為80mm，定子繞組重新設(shè)計(jì)，減少了銅線用量。因?yàn)榭紤]到電機(jī)效率高了，發(fā)熱少，采取了兩種方案：一是用小風(fēng)扇，實(shí)際裝了80#機(jī)座的風(fēng)扇;二是不裝風(fēng)扇。通過升溫試驗(yàn)，兩種方案電機(jī)的升溫均合格。通過試驗(yàn)其效率、功率因數(shù)都比原來的異步電動(dòng)機(jī)有很大提高，其效率超過了IEC60034-30標(biāo)準(zhǔn)相同規(guī)格的6個(gè)多百分點(diǎn)。功率因數(shù)高出YX3系列高效率三相異步電動(dòng)機(jī)YX390L-4 15個(gè)多百分點(diǎn)，見表3。

(2) YX3及YS電動(dòng)機(jī)的效率、功率因數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值。

從4極1.5kW稀土永磁三相同步電動(dòng)機(jī)樣機(jī)的檢測(cè)結(jié)果看，其力能指標(biāo)確實(shí)達(dá)到了高效、超高效的水平，而且除了多用了稀土永磁材料——釹鐵硼之外，其余的電機(jī)有效材料還少用了，至少不會(huì)多用。沒多用材料，電機(jī)的體積和質(zhì)量不會(huì)增加，安裝尺寸可以維持不變。這將使廣大的用戶更換高效、超高效稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)帶來了極大的方便，便于推廣。從電機(jī)的負(fù)載變化看，稀土永磁三相同步電動(dòng)機(jī)可以在25%～120%額定功率的范圍內(nèi)保持高功率因數(shù)和高效率狀態(tài)下運(yùn)行，而一般三相異步電動(dòng)機(jī)通常只能在60%~100%額定功率保持一種低水平下的“高”性能工作(因它的力能指標(biāo)比稀土永磁三相同步電動(dòng)機(jī)低(見表3)。稀土永磁三相同步電動(dòng)機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)能保持恒速(同步轉(zhuǎn)速)運(yùn)轉(zhuǎn)，這一點(diǎn)對(duì)某些設(shè)備很重要。高效、超高效稀土永磁三相同步電動(dòng)機(jī)因其效率高、功率因數(shù)高、電流小，使電網(wǎng)線損小，社會(huì)效益大。因此生產(chǎn)和使用高效、超高效稀土永磁三相同步電動(dòng)機(jī)才是做到真正的“節(jié)能減排”。

4.結(jié)論

通過將YS90L-4三相異步電動(dòng)機(jī)改造為稀土永磁三相同步電動(dòng)機(jī)的實(shí)踐，從中得到一個(gè)重要啟示：中小型三相異步電動(dòng)機(jī)利用第三代永磁材料——釹鐵硼，改造成稀土永磁三相同步電動(dòng)機(jī)，是實(shí)現(xiàn)中小型電機(jī)高效、超高效化的優(yōu)選方案。當(dāng)然，在這條道路上還有許多工作要做，通過全國電機(jī)界同行們的努力，實(shí)現(xiàn)中小型電機(jī)高效化，走出中國特色“節(jié)能減排”的新路來。

(關(guān)鍵字：異步電動(dòng)機(jī) 稀土永磁同步電動(dòng)機(jī))