稀土永磁同步電動機實現高效節能
                                         李明賢/北京華怡凈化科技研究所有限公司  
                                       石雪松/中國通用機械工業協會風機分會   

摘要：針對電動機在節能減排中的重要地位，介紹了國外高效率、超高效率異步電動機的發展狀況及標準，以及國內電動機的現狀及問題。通過研制稀土永磁同步電動機的實踐，充分認識中小型電機實現稀土永磁同步化是實現高效節能的優選方案。
關鍵詞：稀土永磁同步電動機；超高效率；節能減排
中圖分類號：TH703.61    文獻標識碼：B
文章編號：1008-8155（2008）06-0054-03
The Realization of High Efficiency and Energy-saving in Rare Earth Permanent Magnetic Synchronous Motor 
Abstract: According to the important position of motor in energy-saving and emission reduction, this paper has introduced the developing condition and standard of abroad asynchronous motors with high-efficiency and super high-efficiency, and the current condition and problems of domestic motors. Through the practice of rare earth permanent magnetic synchronous motor, the result is that the realization of rare earth permanent magnetic synchronization in medium-small motor is the optimum scheme to realize high efficiency and energy-saving. 
Key words: rare earth permanent magnetic synchronous motor; super high-efficiency; energy-saving and emission reduction

0  引言
　　　在我國，電能大約有2/3是各種設備上的電動機消耗的，而這些電動機中有3/4屬于中小型異步電動機，因此提高中小型異步電動機的能效指標，實現節能降耗，保護環境，一直倍受國內外關注。
1  國外異步電動機節能的發展及標準
　　　國際上自20世紀70年代就研制出“高效率電機”，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”，其損耗比普通電機下降30%左右。90年代初，美國電機制造商協會（NEMA）制定了高效率電機標準（NEMA12-10）；不久又制訂了超高效率電機效率標準（NEMA12-11）；2001年美國NEMA與美國能源效率聯盟（CEE）聯合制訂新的超高效率電機標準（NEMA12-12），一般稱為NEMA premium標準。其效率較NEMA12-10提高了1~3個百分點。
　　1999年歐盟與歐洲電力電子制造商協會（CEMEP）制訂了電機能效標準（EU-CEMEP協議）。覆蓋了全封閉扇自冷（IP54，IP55）三相鼠籠異步電動機，功率從1.1～90kW、2、4極、電壓400V、50Hz，連續工作制S1。將其效率分為三級，即Eff1（高效率）、Eff2（改善效率）、Eff3（低效率）。2006年取消了Eff3這一級。EU-CEMEP協議對1.5kW、4極三相異步電動機效率規定見表1。
                                                                                              表1  1.5kW、4極三相異步電動機效率[1]                       
　電 動 機 功 率/kW	效率/%
　	Eff1（高效率）	Eff2（改善效率）
1.5	≥85	≥78.5

　　2006年10月30日，國際電工委員會（IEC）為制訂單速三相異步電動機的能效分級標準在法蘭克福召開了第一次工作會議，新制訂的標準為IEC60034-30《三相單速鼠籠型感應電動機能效分級》，預計該項工作將于2008年內完成。該標準涵蓋了0.75～200kW、2、4、6極，50Hz和60Hz三相異步電動機，其效率分為4級，即：A級為“超高效率”，B級為“高效率”，C級為“改進效率”，D級為“標準效率”。該標準對1.5kW、4極、50Hz，效率的規定見表2。

　　　　　　　　　表2   1.5kW、4極、50Hz三相異步電動機效率[2]                  
　電動機功率/kW	效 率/%
　	A級（超高效率）	B級（高效率）	C級（改善效率）
　1.5	86.8	84.2	77.7


2  我國電動機的現狀及問題
　　　2002年1月10日，我國首次發布了要求強制執行的中小型三相異步電動機效率限值的標準：GB18613-2002《中小型三相異步電動機能效限定值及節能評價》，于2006年修訂為GB18613-2006《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》。其指標相當于歐盟EU-CEMEP協議的Eff1。我國的YX3高效率三相異步電動機的效率規定也與此大體相當。然而“由于強制性政策法規的缺乏，目前政府的執法與監督力度還相當薄弱。”GB18613標準實施存在著很大困難。致使“高效率電動機的推廣應用步履蹣跚。”自1997年開始，我國發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約2000億kW·h，相當于2.3個三峽電站26臺70kW發電機年發電量的總和[3]。” “我國GDP每增長1%，能源消耗就要增長1.5%”而合理能源增長應為0.8%[4]。 “我國與發達國家相比電能使用價值差距非常大。”每kW·h所創造的工業產值歐盟國家為48元（折合人民幣，下同），日本接近52元，我國只有20多元。不到發達國家平均水平的一半。“差距意味著潛能，說明節能降耗，提高電能利用率潛力巨大[5]。”因此，提高我國中小型電動機的能效水平，是實現“節能減排”的一個重要途徑。
　　自20世紀90年代，我國的一些科研院所、大專院校和工廠企業，開始著手研制高效率異步電動機。主要途徑是增加有效材料用量，如加長鐵芯，降低鐵耗；加粗導線截面，以減少銅耗；轉子鑄銅以取代鑄鋁，以降低轉子電耗；轉子增加槽絕緣，以減少雜散損耗；……。根據文獻[1]介紹：“高效率電機樣機的有效材料用量與Y3系列電機相應規格比較，每千瓦用銅、鐵和鋁分別增加了57.53%、30.59%和49.03%……”。根據文獻[2]介紹：“……Y2基本系列的效率算術平均值為86.77%。Y2-E設計的效率算術平均值為87.83%，效率提升了1.06個百分點。有效材料多用了13.6%，由此推測，當效率從表1的87.52%提高到90.73%時，有效材料約比Y2基本系列多用41.2%。如果設計時再留0.5個百分點的余量，則有效材料約比Y2基本系列多用47.6%……”。高效率異步電動機比原來的普通異步電動機多用了近50%的有效材料，只是在電動機使用過程中“節能減排”了。而這多用的近50%的材料也是要消耗能源進行冶煉、軋制、加工、運輸。因此，高效異步電動機在制造過程中的“耗能增排”與使用過程中的“節能減排”到底抵消了多少，這筆帳值得細算。況且，材料使用多了，電動機的體積和質量也增加，這很可能影響到某些規格電動機的外形及安裝尺寸，給廣大用戶在取代原有普通異步電動機的過程中帶來麻煩。所以使中小型電動機高效化，只盯在異步電動機能耗指標上并非上策。
　　
3  稀土永磁同步電動機的研制及效果
　　進入21世紀，國內外的一些科研機構、大專院校和工廠企業，紛紛研制稀土永磁同步電動機。華怡特種電機于2007年也加入了這一行列，并取得了一些可喜的成績。其思路和電機界的同行們一樣，就是在Y系列或YS系列三相異步電動機的基礎上進行：定子沖片仍用原來的異步電動機的沖片；轉子沖片重新設計，除了沖有供異步電動機啟動的鼠籠槽數若干外，還要根據要求嵌放稀土永磁體的孔槽。待轉子鑄鋁、穿軸、加工后，將永磁體插入、粘牢于相應的孔（或槽）內即可。是用YS系列三相異步電動機的YS90L-4這一規格進行改型設計的：其鐵芯長由原來的90mm縮短為80mm，定子繞組重新設計，減少了銅線用量。因為考慮到電機效率高了，發熱少，采取了兩種方案：一是用小風扇，實際裝了80#機座的風扇；二是不裝風扇。通過升溫試驗，兩種方案電機的升溫均合格。通過試驗其效率、功率因數都比原來的異步電動機有很大提高，其效率超過了IEC60034-30標準相同規格的6個多百分點。功率因數高出YX3系列高效率三相異步電動機YX390L-4  15個多百分點，見表3。
　　　表3  異步電動機與同步電動機參數對照表                                  
名 稱 及 標 準	型 號 及 參 數	電流/
A	效率/
%	功率因數	定子鐵芯/kg	電磁線/
kg	升 溫/
K
YX3系列高效三相異步電動機（JB/T10686-2006）	YX390L-4
380V、1.5kW	3.565	85	0.75	—	—	—
YS系列三相異步電動機
　（JB/T1009-2007）	YS90L-4
380V、1.5kW	3.64	79	0.79	8.1	2.35	—
TXYC90L-4
稀土永磁三項
同步電動機
（樣機實測值）	有風扇	TXYC90L-4
380V、1.5kW	2.52	93.2	0.908	7.2	2.06	41.8
	無風扇	TXYC90L-4
380V、1.5kW	—	—	—	7.2	2.06	65.6
注：(1) 根據GB755-2000《旋轉電機定額和性能》第7.10.1規定的溫升限值：電阻法，扇自冷電機為80K，無扇自冷的電機為85K。
　    (2) YX3及YS電動機的效率、功率因數為標準值。
從4極1.5kW稀土永磁三相同步電動機樣機的檢測結果看，其力能指標確實達到了高效、超高效的水平，而且除了多用了稀土永磁材料——釹鐵硼之外，其余的電機有效材料還少用了，至少不會多用。沒多用材料，電機的體積和質量不會增加，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機帶來了極大的方便，便于推廣。從電機的負載變化看，稀土永磁三相同步電動機可以在25%～120%額定功率的范圍內保持高功率因數和高效率狀態下運行，而一般三相異步電動機通常只能在60%~100%額定功率保持一種低水平下的“高”性能工作（因它的力能指標比稀土永磁三相同步電動機低(見表3)。稀土永磁三相同步電動機的另一個優點就是在電網電壓波動時能保持恒速（同步轉速）運轉，這一點對某些設備很重要。高效、超高效稀土永磁三相同步電動機因其效率高、功率因數高、電流小，使電網線損小，社會效益大。因此生產和使用高效、超高效稀土永磁三相同步電動機才是做到真正的“節能減排”

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