2021年6月1日起，我國正式實施的最新電機能效标準《GB18613-2020電動機能效限定及能效等級》，該标準實施後，三相異步電機能效限定值達不到IE3的電機，就不能再生産、銷售和采購了。

去年年底，工業和信息化部、市場監督管理總局聯合印發《電機能效提升計劃（2021-2023年）》。在文件中特别強調，到2023年，高效節能電機年産量要達到1.7億千瓦，在役高效節能電機占比達到20%以上，實現年節電量490億千瓦時，相當于年節約标準煤1500萬噸，減排二氧化碳2800萬噸。

因此，電機企業要從技術、裝備、工藝、材料和銷售等各方面做好充分的準備。

那麼，高效電機有哪些技術路線可供選擇呢？就目前來看，主要有五種技術路線：

一是三相異步電動機。它是工業用的電動機械，其功率範圍從幾瓦到上萬千瓦，具有廣泛的應用範圍。主要用于風機、泵、壓縮機、機床、輕工及礦山機械、農業生産中的脫粒機和粉碎機、農副産品中的加工機械等等。

圖：YE4系列三相異步電動機（來源：華力集團官網）

它的優點是結構簡單、制造容易、價格低廉、運行可靠、堅固耐用、運行效率較高，轉子為鑄鋁，設計難度小、産業鍊成熟，以及規格齊全等等。缺點是功率因素較差，總是小于1；目前尚不能經濟地在較大範圍内平滑調速。

因此，三相異步電動機的傳統應用是在定速的場合，不過現在越來越多的三相異步電動機應用是配合變頻器（VFD），或者是變速驅動器來使用。變頻器可以配合頻率調整輸出電壓，若是應用在離心型風扇、泵，或是壓縮機上，配合感應電動機可以達到節能的效果。

目前高能效IE4以上的三相異步電動機由YE4，和YE5系列等等。也就是說需要發展YE4和YE5系列三相異步電動機。

二是鑄銅轉子三相異步電動機。它其實也是屬于三相異步電動機的一種，隻是轉子改成了鑄銅，因為銅的電阻率比鋁的電阻率更低，因此會降低轉子的電阻，從而會降低轉子損耗，達到提高電動機效率的目的。

但也帶來了一個問題，那就是對鑄造工藝和設備都有了更高的要求。目前IE4标準以上的鑄銅轉子三相異步電動機有YZTE4系列等。

三是自起動永磁同步電機。此列電機的特點是轉子為鑄鋁或銅條焊接，設計難度大，産業鍊比較成熟，成本高、規格齊全。缺點是起動沖擊大，且無法調速。

目前，該系列的IE4标準電機為TYE4系列自起動永磁同步電動機。

四是變頻調速永磁同步電機，也就是是我們常說的BLDC電機。它的特點是轉子無導條但有永磁體，最大的優勢是免維護，高效率，設計難度一般，産業鍊比較成熟，規格齊全，但由于需要配置控制器，所以成本比較高，經濟性較差。

圖：變頻永磁同步電動機

這種電機也是這幾年的熱點，很多企業都在做，特别是半導體企業對這塊比較重視。因為永磁同步電機的控制需要用到大量的芯片産品，比如說MCU、DSP等微處理器，MOSFET和IGBT等功率器件，以及傳感器等等。

當然，除了優勢，永磁同步電機，或者說BLDC電機也還有些發展瓶頸需要面對，比如功率密度、材料，以及生産工藝等方面。

五是同步磁阻電動機。它利用轉子磁阻不均勻而産生的轉矩工作，轉子是由鐵磁性材料以及非鐵磁性材料組成，沒有永久性磁鐵，也沒有繞組，是結構最簡單的電機之一。

同步磁阻電動機可以在低成本下産生高功率密度，又結合了永磁同步電機的性能與感應電機的簡單易用和易維護性，因此在許多應用中相當有吸引力。

另外，同步磁阻電動機的控制策略與永磁同步電動機非常相似,可以采用永磁同步電機常用的矢量控制和直接轉矩控制等策略。

雖然同步磁阻電動機的設計難度要大一些，但它可以比較容易地滿足IE4，甚至IE5标準。

這就是目前IE4及以上電機标準的五種主要技術路線。當然，要想實現更高效率電機的設計和生産，還需要配套發展上遊的關鍵材料，比如絕緣材料、冷軋矽鋼片；裝備（主要是沖床）、風機、泵、壓縮機等下遊産品等等。

也就是說，我們需要優化電機産業結構，才能提高高效電機産品開發及保障供給能力。電機産品作為工業動力，對國家的發展速度和産業政策依賴較大，因此如何搶占市場先機，及時調整産品結構，研制适銷對路的産品，選擇好差異化的節能電機産品，緊跟國家産業政策是重點。從全球角度來看，電機行業正向高效節能方向發展，發展潛力巨大。

電動機提高效率的措施。電機的節能是一項系統工程，涉及電動機的全壽命周期，從電動機的設計、制造到電動機的選型、運行、調節、檢修、報廢，要從電動機的整個壽命周期考慮其節能措施的效果，國内外在這方面主要考慮從以下幾個方面提高電機的效率。

節能電動機的設計是指運用優化設計技術、新材料技術、控制技術、集成技術、試驗檢測技術等現代設計手段，減小電動機的功率損耗，提高電動機的效率，設計出高效的電動機。

電動機在将電能轉換為機械能的同時,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。可變損耗是随負荷變化的，包括定子電阻損耗（銅損）、轉子電阻損耗和電刷電阻損耗；固定損耗與負荷無關，包括鐵芯損耗和機械損耗。鐵損又由磁滞損耗和渦流損耗所組成，與電壓的平方成正比，其中磁滞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扇、轉子等由于旋轉引起的風阻損耗。

1、節約能源、降低長期運行成本，非常适合紡織、風機、水泵、壓縮機使用，靠節電一年可收回電機購置成本；

2、直接啟動、或用變頻器調速，可全面更換異步電機；

3、稀土永磁高效節能電機本身可比普通電機節約電能15℅以上；

4、電機功率因數接近1，提高電網品質因數，無需加功率因數補償器；

5、電機電流小，節約輸配電容量、延長系統整體運行壽命；

6、節電預算：以55千瓦電機為例，高效電機比一般電機節電15℅，電費每度按0.5元計算，使用節能電機一年内靠節電可收回更換電機的費用。

高效電機的優點

直接啟動，可全面更換異步電機。

稀土永磁高效節能電機本身可比普通電機節約電能3℅以上。

電機功率因數一般高于0.90，提高電網品質因數，無需加功率因數補償器。

電機電流小，節約輸配電容量、延長系統整體運行壽命。

加驅動器可實現軟起、軟停、無級調速，節電效果進一步提高。

定子損耗

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，應用最佳繞線和絕緣尺寸、大導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%。

轉子損耗

電動機轉子I^2R損耗主要與轉子電流和轉子電阻有關，相應的節能方法主要有：

1、減小轉子電流，這可從提高電壓和電機功率因素兩方面考慮；

2、增加轉子槽截面積；

3、減小轉子繞組的電阻，如采用粗的導線和電阻低的材料，這對小電動機較有意義，因為小電動機一般為鑄鋁轉子，若采用鑄銅轉子，電動機總損失可減少10%～15%，但現今的鑄銅轉子所需制造溫度高且技術尚未普及，其成本高于鑄鋁轉子15%～20%.

鐵耗

電動機鐵耗可以由以下措施減小：

1、減小磁密度，增加鐵芯的長度以降低磁通密度，但電動機用鐵量随之增加；

2、減少鐵芯片的厚度來減少感應電流的損失，如用冷軋矽鋼片代替熱軋矽鋼片可減小矽鋼片的厚度，但薄鐵芯片會增加鐵芯片數目和電機制造陳本；

3、采用導磁性能良好的冷軋矽鋼片降低磁滞損耗；

4、采用高性能鐵芯片絕緣塗層；

5、熱處理及制造技術，鐵芯片加工後的剩餘應力會嚴重影響電動機的損耗，矽鋼片加工時，裁剪方向、沖剪應力對鐵芯損耗的影響較大。順着矽鋼片的碾軋方向裁剪、并對矽鋼沖片進行熱處理，可降低10%～20%的損耗等方法來實現。

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子表面短路；

2、轉子槽内表面絕緣處理；

3、通過改進定子繞組設計減少諧波；

4、改進轉子槽配合設計和配合減少諧波，增加定、轉子齒槽、把轉子槽形設計成斜槽、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。

風摩損耗

到人們應有的重視，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，可由以下措施減小：

1、盡量減小軸的尺寸，但需滿足輸出扭矩和轉子動力學的要求；

2、使用高效軸承；

3、使用高效潤滑系統及潤滑劑；

4、采用先進的密封技術。

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