能源緊張是影響我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個重要問題，也是全世界共同關(guān)心的問題。而工業(yè)用電動機(jī)消耗了大部分的能源，因此提高工業(yè)用電動機(jī)的效率可以獲得顯著的節(jié)能效果。根據(jù)IEC制定的超高效和超超高效電機(jī)效率標(biāo)準(zhǔn)，永磁電動機(jī)由于采用永磁體勵磁，在提高效率方面具有很大的空間和優(yōu)勢。針對永磁電動機(jī)自身特點，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計可以達(dá)到IEC規(guī)定的IE3和IE4的效率限值?？紤]到我國稀土資源率富和稀土永磁產(chǎn)量已列世界前茅的優(yōu)勢，研發(fā)起高效和超超高效永磁同步電動機(jī)是我國發(fā)展高效電機(jī)的重要速徑。
關(guān)鍵詞：電動機(jī)；效率；瘩磁；節(jié)能
l 引言
能源緊張是影響我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個重要問題，也是全世界共同關(guān)心的闊題。節(jié)能是我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的一項長遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針，也是當(dāng)前一項極為緊迫的任務(wù)。據(jù)國際電工委員會(IEC)統(tǒng)計，工業(yè)用電動機(jī)消耗全世界發(fā)電量的30％－40％，改善整個驅(qū)動系統(tǒng)(電動機(jī)和調(diào)速傳動)和應(yīng)用技術(shù)(或工藝技術(shù))的效率對節(jié)能關(guān)系重大，系統(tǒng)優(yōu)化總的節(jié)能潛力可達(dá)到30％～60％。據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)(IEA)2006年7月的工作報告，通過改善電動機(jī)效率結(jié)合變頻調(diào)速可以節(jié)約大約7％的電能，其中大致有1／4～1／3是靠提高電動機(jī)效率來獲得的，其余部分則來自系統(tǒng)的改進(jìn)。目前，美、歐、日、澳大利亞、巴西等國都紛紛制訂電動機(jī)效率限值，并強制執(zhí)行。
為協(xié)調(diào)各國能效分級標(biāo)準(zhǔn)，2006年IEC制定一項新的能效標(biāo)準(zhǔn)IEC60034－30。該標(biāo)準(zhǔn)將一般用途電動機(jī)效率水平分為IEl(International Efficiency，簡稱IE)、IE2、IE3和IE4四級，其中IEl為標(biāo)準(zhǔn)效率，相當(dāng)于我國目前生產(chǎn)的普通系列感應(yīng)電動楓的效率水平；IE2為高效率，比普通電機(jī)的效率平均提高2．75個百分點，損耗平均下降20％左右；IE3為超高效率，即效率再提高1．5--一2個百分點，損耗平均再降低15％左右，目前只有美國預(yù)計2010年達(dá)到IE3能耗水平，強制執(zhí)行；IE4為超超高效率，損耗預(yù)計再下降20％左右，需要進(jìn)行全新的電機(jī)設(shè)計，建也新的體系結(jié)構(gòu)(新的電機(jī)極數(shù)、速度范圍)，采用更高性能的材料。
眾所周知，永磁電動機(jī)采用永磁體勵磁，不需要無功勵磁電流，所以顯著提高功率因數(shù)，減小了定子電流和定子電阻損耗；而且在穩(wěn)定運行時沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，進(jìn)而可以因總損耗降低而減小風(fēng)扇(小容量電機(jī)甚至可以去掉風(fēng)扇)和相應(yīng)的風(fēng)摩耗，從而使其效率和功率因數(shù)比同規(guī)格感應(yīng)電動機(jī)高。兩且在輕載時仍可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著。因此，永磁電動機(jī)較容易做到高效率，既達(dá)到lE2級的效率值。如果迸一步優(yōu)化設(shè)計，采用高性硅鋼片和先進(jìn)工藝，在降低一個機(jī)座號或者縮短鐵心的情況下，可以達(dá)到超高效，既IE3級的效率值；在不降低機(jī)座號或適當(dāng)增加鐵心的情況下，部分規(guī)格有可能達(dá)到超超高效，既IE4級的效率值。
考慮到我國稀土資源豐富和稀土永磁產(chǎn)量已列世界前茅的優(yōu)勢，研發(fā)超高效和超超高效永磁同步電動機(jī)是我國發(fā)展高效電機(jī)的重要途徑。
2我國高效永磁同步電動機(jī)的研發(fā)現(xiàn)狀
國內(nèi)許多高校、研究所和企業(yè)針對不同應(yīng)用場合，先后開發(fā)出了多種高效、超高效超超高效異步起動永磁同步電動機(jī)和變頻調(diào)速永磁同步電動機(jī)產(chǎn)品?，F(xiàn)簡要介紹幾種典型產(chǎn)品，需要說明的是，這些產(chǎn)品是在IEC60034－30頒布之前研發(fā)的，與IE3和IE4的效率值稍有出入，只要調(diào)整設(shè)計和優(yōu)華，有可能達(dá)到所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。
2．1油田抽油機(jī)用高效高起動轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機(jī)
目前，油田抽油機(jī)用感應(yīng)電動機(jī)普遍存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，電能浪費嚴(yán)重。國內(nèi)針對油田抽油機(jī)負(fù)載特性，在減小l～2個機(jī)座號的情況下開發(fā)出高效高起動轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機(jī)系列(圖1)，該系列電機(jī)不僅在額定負(fù)載時效率和功率因數(shù)高，并且在輕載(1／4額定負(fù)載)時仍具有用較高的效率和功率因數(shù)，在不同油田運行時節(jié)電率達(dá)20％以上，表5為其中兩種典型規(guī)格電機(jī)效率與感應(yīng)電動機(jī)和IE3標(biāo)準(zhǔn)對比。
2．2化纖紡織用高效高牽入轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機(jī)
化纖紡織用高效高牽入轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機(jī)屬于異步起動永磁同步電動機(jī)。化纖紡織用電機(jī)穩(wěn)定運行時負(fù)載并不很大，但是其負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量卻很大，這對電機(jī)的牽入同步能力提出了較高的要求。永磁同步電動機(jī)在起動過程中不但要求有足夠的起動轉(zhuǎn)矩，以克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩使電機(jī)起動并運行到接近同步轉(zhuǎn)速，還要求電機(jī)有足夠高的牽入同步能力，使電機(jī)能夠順利牽入同步，這在設(shè)計上是相互制約的，而且永磁同步電機(jī)由于轉(zhuǎn)子上要安放永磁體，轉(zhuǎn)子槽不可能太深，使起動性能的改善更難。因此在相同負(fù)載情況下，化纖紡織用電機(jī)尺寸一般比普通電機(jī)大l～2個功率等級，使得電機(jī)在運行時也存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，電能浪費嚴(yán)重。國內(nèi)經(jīng)過多年研究，所開發(fā)的7．5kW4極、llkW4極、15kW4極和18．5kW4極在體積不增大的情況下能夠達(dá)到超高效甚至超超高效性能指標(biāo)(見表6和表7)。綜合節(jié)電與普通感應(yīng)電動機(jī)比高到23％左右，與紡織專用電機(jī)比也在10％～15％左右，節(jié)電效果非常明顯。
2．3高效高過載能力永磁同步電動機(jī)
高效高過載能力永磁同步電動機(jī)主要是應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載。據(jù)電力部門估算，煤炭行業(yè)的風(fēng)機(jī)、水泵在20世紀(jì)五、六十年代的老設(shè)備約占1／3，其本身運行效率只有30％一40％，系統(tǒng)運行效率大約為20％。由此造成的能源浪費是巨大的。因此針對風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載特點，國內(nèi)在十五期間，通過對該類電機(jī)的共性關(guān)鍵技術(shù)研究，解決了制約該類電視的技術(shù)難題，所開發(fā)的1lkW2極電機(jī)和18．5kW4極電機(jī)(見圖3)都達(dá)到了IE4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的效率值(見表8)。
另一類特殊用途的高效高過載能力永磁同步電動機(jī)為屏蔽泵用永磁同步電動機(jī)，該類電機(jī)主要用于石油、化工、制冷、制藥、核工業(yè)及許多新興工業(yè)部門運送易燃、易爆、有毒、貴重、腐蝕燃、放射性的各種介質(zhì)。為保護(hù)電機(jī)的譽受腐蝕，必須在定轉(zhuǎn)子外面加密閉的屏蔽套，這就需要加大定轉(zhuǎn)子之間的氣隙。降低了電機(jī)的效率和功率因數(shù)，因此造成電能浪費嚴(yán)重。這種電機(jī)若改為永磁電機(jī)主要制約因素為：轉(zhuǎn)子細(xì)長、轉(zhuǎn)子空間有限；永磁體高溫退磁問題。國家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心通過技術(shù)攻關(guān)，解決了關(guān)鍵技術(shù)問題，研制出5．5kW4極和370W2板兩種規(guī)格樣機(jī)(見圖4)，該電機(jī)與同規(guī)格感應(yīng)電動機(jī)相比數(shù)據(jù)如圖9所示。
2．4中型異步起動高效稀土永磁同步電動機(jī)
目前，中小異步起動高效永磁同步電動機(jī)主要用作驅(qū)動“三機(jī)一泵”(風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、冷凍機(jī)和水泵)，這類負(fù)載要求高效率、高功率因數(shù)和高過載能力，同時要求運行穩(wěn)定可靠。中大型永磁同步電動機(jī)在效率掇舞技術(shù)上可以采用小型高效高過載能力永磁同步電動機(jī)的技術(shù)措施，但制約中型高效稀土永磁同步電動機(jī)研發(fā)的主要因素是工藝結(jié)構(gòu)問題。因為中小型電機(jī)轉(zhuǎn)子空間有限，在有限空間內(nèi)既要放置足夠的永磁體來滿足所需的磁通，又要放置起動籠來滿足異步起動能力，同時還要開一定面積的軸向通風(fēng)孔，保證電機(jī)的溫升滿足標(biāo)準(zhǔn)，因此會造成每個細(xì)節(jié)尺寸非常緊張，機(jī)械強度接近極限(如圖5所示)。目前該類電機(jī)主要是在原有電機(jī)上進(jìn)行改造，通過技術(shù)攻關(guān)，國家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心研發(fā)出112kW4極、300kW4極、260kw4極和3lOkW6極幾種典型規(guī)格祥機(jī)，圖6為1120kW4極樣機(jī)照片。兩種電機(jī)性能指標(biāo)與原感成電動機(jī)相比如表10所示。節(jié)能效果明髭，以300kW為例，經(jīng)北京首鋼現(xiàn)場實測節(jié)電率為7。2％，一年可節(jié)電16．6萬kW．h，如果是全新設(shè)計，效率還能提高。
2．5 中型變頻調(diào)速高效永磁同步電動機(jī)
在風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，還可以通過變頻調(diào)速永磁電機(jī)來提高節(jié)電率和降低起動電流。國家工程技術(shù)研究中心在十五期間，通過對變頻調(diào)速電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究，開發(fā)出135kW、200kW和300kW三種規(guī)格變頻調(diào)速高效永磁同步電動機(jī)，在現(xiàn)場運行實測節(jié)電率都在40％以上。圖7為300kW電機(jī)照片。
3永磁同步電動機(jī)提高效率的關(guān)鍵技術(shù)
在總結(jié)國內(nèi)許多高校、研究所和企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出多種高效、超高效和超超高效異步起動永磁電動機(jī)和變頻調(diào)速永磁電動機(jī)的經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過研究分析認(rèn)為，只要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，采用高性能材料和先進(jìn)工藝，可以開發(fā)出符合IEC60034—30能效分級標(biāo)準(zhǔn)的兩個系列的高效永磁同步電動機(jī)。
一是在比感應(yīng)電動機(jī)降低一個機(jī)座號或機(jī)座號不變而縮短鐵心的情況下，使永磁同步電動機(jī)的效率指標(biāo)達(dá)到超高效，即IE3的效率標(biāo)準(zhǔn)，二是機(jī)座號不變或者適當(dāng)加長鐵心，使永磁同步電動機(jī)的效率指標(biāo)達(dá)到超超高效，即IE4的效率標(biāo)準(zhǔn)。兩者的功率因數(shù)都達(dá)到0．93以上。同時要在滿足起動性能和保證高溫不失磁的前提下盡鼉降低成本。
為此，既要采用超高效感應(yīng)電動機(jī)降低損耗、提高效率的技術(shù)，如采用高性能硅鋼片、提高定子槽滿率、用鑄銅轉(zhuǎn)子代替鑄鋁轉(zhuǎn)子，改進(jìn)風(fēng)扇設(shè)計和提高制造精度等：又要針對永磁同步電動機(jī)的設(shè)計制造特點，對下列關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究攻關(guān)。國內(nèi)對此已經(jīng)做了大量工作，取得了一砦突破性進(jìn)展，但尚須進(jìn)一步完善，進(jìn)而在傘行業(yè)推廣應(yīng)用。
3．1 完善場路結(jié)合的電機(jī)設(shè)計計算程序和軟件包，提高計算精度
當(dāng)前永磁同步電動機(jī)的設(shè)計計算精度低于感應(yīng)電動機(jī)，因此需要修改完善永磁電機(jī)電磁場分析計算軟件，同時運用計算軟件，分析計算各種磁路結(jié)構(gòu)的三維磁場，從中總結(jié)出端部效應(yīng)的規(guī)律，對二維電磁場計算軟件進(jìn)行分析修正，既方便計算，又提高計算精度。
在總結(jié)已開發(fā)樣機(jī)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對原有以路為主的電磁計算軟件中的各項參數(shù)和系數(shù)進(jìn)行修正，并與電磁場計算軟件耦合起來形成場路結(jié)合的計算軟件。
完善適合永磁同步電動機(jī)特點的機(jī)械計算、熱計算和振動、噪聲分析計算軟件。
在總結(jié)、完善上述軟件的基礎(chǔ)上，充實數(shù)據(jù)庫，形成完整的軟件包，在全行業(yè)推廣應(yīng)用，以提高全行業(yè)的研發(fā)水平。
3．2磁路結(jié)構(gòu)及尺寸的優(yōu)化設(shè)計
超高效和超超高效永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子窄間有限，既要安放足夠的永磁體以提供必需的氣隙磁密和改善磁場波形，又要安放足夠的起動籠在滿足所要求起動轉(zhuǎn)矩(含堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩、牽入轉(zhuǎn)矩和失步轉(zhuǎn)矩)的前提下．減少堵轉(zhuǎn)電流，還要使轉(zhuǎn)子有足夠的強度和剛度，便于制造，需要對磁極結(jié)構(gòu)、起動籠槽型等進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計，在大量實踐的基礎(chǔ)上總結(jié)出設(shè)計準(zhǔn)則。
3.3電磁負(fù)荷的優(yōu)化選擇
超高效和超超高效永磁同步電機(jī)的磁路波形接近矩形波，齒磁密與軛磁密的分布與感應(yīng)電機(jī)不同，需要對定子槽形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以降低總鐵耗。由于效率和功率因數(shù)都高于感應(yīng)電機(jī)，其電磁負(fù)荷的合理分配和選擇以及風(fēng)扇設(shè)計也與感應(yīng)電機(jī)不同，需要進(jìn)行熱計算和冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，從而總結(jié)出優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則。
3．4負(fù)載鐵耗的修正和減少負(fù)載雜散損耗的技術(shù)
永磁同步電動機(jī)沒有轉(zhuǎn)子銅(鋁)耗，定子銅耗較小，鐵耗和負(fù)載雜散損耗占總損耗的比例較感應(yīng)電動機(jī)大，因此重點應(yīng)放在降低鐵耗和負(fù)載雜散損耗。
高效永磁同步電動機(jī)的空載氣隙磁場中諧波含量比感應(yīng)電機(jī)大，因而空載雜散損耗大，使空載鐵耗(含空載雜散損耗)大；而負(fù)載時氣隙磁密降低，使負(fù)載鐵耗比空載鐵耗小，需要通過大量計算和試驗以總結(jié)提出負(fù)載鐵耗的修正系數(shù)。
超超高效永磁同步電動機(jī)的負(fù)載雜散損耗雖小于感應(yīng)電機(jī)，但仍占總損耗的很大比例，要進(jìn)一步提高效率必須著重減少負(fù)載雜散損耗，這就需要進(jìn)行大量電磁場計算，總結(jié)影響雜散損耗的影響因素，探索減少雜散損耗的設(shè)計技術(shù)和制造工藝措施。同時需要運用高精度的電量和轉(zhuǎn)矩測量儀器對大量樣機(jī)進(jìn)行測試，總結(jié)歸納出負(fù)載雜散損耗的數(shù)值和影響規(guī)律。
3．5制造工藝技術(shù)研究
超高效永磁同步電動機(jī)成本高的原因之一是制造工藝較復(fù)雜。除采用感應(yīng)電動機(jī)的先進(jìn)制造工藝外，還要進(jìn)行裝配后永磁體充磁技術(shù)、帶磁永磁體裝配技術(shù)等制造工藝技術(shù)研究，并開發(fā)相應(yīng)的工裝模具。做到既提高生產(chǎn)效率，又降低制造成本。
3．6試驗方法研究
永磁電機(jī)采用永磁體勵磁，其試驗方法不能完全采用感應(yīng)電動機(jī)和電勵磁同步電動機(jī)的試驗方法，難點在于：①鐵耗的測試和分離，在用損耗分析法測試效率時，在感應(yīng)電動機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中認(rèn)為負(fù)載和空載鐵耗是不變的，而永磁電機(jī)由于電樞反應(yīng)以及溫度變化對永磁體性能的影響，使得鐵耗從空載到負(fù)載變化較大，因此要針對永磁電機(jī)的特性進(jìn)行試驗研究，總結(jié)出鐵耗測試方法及修正規(guī)律：②堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、堵轉(zhuǎn)電流、最小轉(zhuǎn)矩和牽入轉(zhuǎn)矩的測試，由于永磁體的存在，在做堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩試驗時電機(jī)產(chǎn)生振動，容易對電機(jī)造成機(jī)械破壞或測試儀表損壞：最小轉(zhuǎn)矩和牽入轉(zhuǎn)矩的測試要求也與普通電機(jī)不同；因此需對測試轉(zhuǎn)矩的不同方法進(jìn)行試驗驗證和分析研究，最終總結(jié)出永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性測試方法和修正方法；⑧負(fù)載雜散損耗的精確測量；④永磁體性能一致性和穩(wěn)定性的檢測方法。
4高效率電動機(jī)節(jié)能潛力和經(jīng)濟(jì)效益
根據(jù)國內(nèi)外調(diào)查，工業(yè)領(lǐng)域電動機(jī)年平均運行時間約在3000h左右，但在石油、化工、造紙、冶金、電力等行業(yè)，電動機(jī)年運行時間往往超過6000h，對于這些運行時間長的場合，如采用高效、超高效甚至超超高效永磁電動機(jī)將會對能源節(jié)約帶來更顯著的效果。
據(jù)統(tǒng)計，2006和2007年全國共生產(chǎn)各種電動機(jī)2．5億kW，其中中小型電動機(jī)年產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的70％～80％。中小型電動機(jī)耗電量占總發(fā)電量的50％，加上大型電動機(jī)和微電機(jī)，耗電量達(dá)60％，是電力生產(chǎn)部門最大的用戶。如果效率平均提高一個百分點，則將會節(jié)約電能1833萬kw，按工業(yè)用電0．6元k/w．h計算，則可節(jié)約電費1100萬元左右，同時還可以減少663萬kg炭排量。根據(jù)《京都議定書》，每噸炭排量可以銷售到15～18美元，中國和聯(lián)合國正在北京籌建炭交易中心，預(yù)計2012年，中國炭排量定額占41％，也就是說超過41％，要花錢買炭排量，低于41％，可以賣出。因此高效永磁同步電動機(jī)從國家政策導(dǎo)向和市場需求方面都有其他電機(jī)不可替代的優(yōu)勢，市場前景非常廣闊。