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過(guò)去20年，三相籠型異步電動(dòng)機(jī)發(fā)生了引人注目的能源效率提升。這一切都來(lái)源于設(shè)計(jì)的改進(jìn)——比如利用更好的電活性材料，以及電機(jī)電路的進(jìn)步，以及標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試和最低能效標(biāo)準(zhǔn)（MEPS）的頒布。
由于在全世界范圍內(nèi)巨大的裝機(jī)量，交流感應(yīng)電機(jī)毫無(wú)懸念的被選作效率提升的對(duì)象。相對(duì)粗獷、簡(jiǎn)陋的結(jié)構(gòu)，比較低的生產(chǎn)成本，再加上巨大的銷售量，使得感應(yīng)設(shè)備成為工業(yè)界電動(dòng)機(jī)的“主力”。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所消耗的能源占到全球所有電能產(chǎn)量的46%。
其中一個(gè)關(guān)于電動(dòng)機(jī)效率的清晰概念來(lái)源于IE等級(jí)定義，在國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)（IEC）的標(biāo)準(zhǔn)60034-30“國(guó)際效率等級(jí)”中有詳細(xì)的定義。該標(biāo)準(zhǔn)按照從低到高的順序依次定義了效率等級(jí)IE1（標(biāo)準(zhǔn)）到IE4(最高級(jí))，以及從0.12到1000kW規(guī)格電機(jī)所要求達(dá)到的效率值，此外還規(guī)定了IE5等級(jí)（超高級(jí)）。IE5等級(jí)的電機(jī)還沒(méi)有嚴(yán)格的定義，但是建議其電機(jī)損失要比IE4等級(jí)的小20%。
到目前為止，MEPS僅僅被部分國(guó)家選擇作為強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，而且僅僅到IE3等級(jí)。在MEPS的應(yīng)用方面，美國(guó)處在領(lǐng)先地位，在某些情況下，IE3是新安裝設(shè)備所必須滿足的等效等級(jí)。加拿大和墨西哥還有其它國(guó)家，緊隨其后，還有一些國(guó)家在正在努力接受該標(biāo)準(zhǔn)。
在2015年1月1日，歐盟已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施邁向IE3的三個(gè)步驟中的第二階段，但是直到2017年1月，所有規(guī)格的電機(jī)才會(huì)完全符合該標(biāo)準(zhǔn)的要求。目前美國(guó)監(jiān)管條例所覆蓋的電機(jī)包括所有的從1 到500 hp (0.75到 375 kW)的連續(xù)運(yùn)行多相電機(jī)。
作為參考，IE3等級(jí)的電機(jī)大概對(duì)應(yīng)于美國(guó)使用的NEMA（美國(guó)電氣制造協(xié)會(huì)）高級(jí)效率水平。例如，一臺(tái)200 hp (150 kW), 4極60 Hz NEMA的高等級(jí)電機(jī)，在滿負(fù)荷時(shí)，其名義效率應(yīng)達(dá)到96.2%。一臺(tái)功率為160kW左右、4極50 Hz的IEC電機(jī)，其名義效率能夠達(dá)到95.8%，那它就是IE3等級(jí)。
需要注意的是，IE3等級(jí)的電機(jī)未來(lái)將在更多的國(guó)家成為強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，較低效率的電機(jī)則不能合法的進(jìn)入到市場(chǎng)。這將是大勢(shì)所趨，盡管在全世界范圍內(nèi)老的、低效的電機(jī)仍然占有很大的比例。一些大型的電機(jī)制造商在強(qiáng)制效率標(biāo)準(zhǔn)方面保持領(lǐng)先，其感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)能夠滿足最高IE4的標(biāo)準(zhǔn)。但是對(duì)于某些小型號(hào)的電機(jī)而言，可能需要假以時(shí)日。在滿足IE4標(biāo)準(zhǔn)方面，一個(gè)比較有意思的進(jìn)展是壓鑄銅轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)被用于從SEW歐洲驅(qū)動(dòng)、西門子以及其它廠家選擇電機(jī)模型的。很多不同的方法都可以使感應(yīng)電機(jī)滿足IE4的效率要求，不過(guò)其初始費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)的提高。
IE4等級(jí)的感應(yīng)電機(jī)已經(jīng)被證明具有非常高的效率，尤其是在大型動(dòng)力方面。電機(jī)的開(kāi)發(fā)人員和制造商已經(jīng)開(kāi)始展望未來(lái)，開(kāi)始著手尋求更高的效率，即使是在面臨著效益遞減的情況下依然如此。
這意味著拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電機(jī)設(shè)計(jì)可以大展拳腳了。最主要的替代拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括同步磁阻（SynR）和永磁（PM）交流電機(jī)類型。采用“替代”拓?fù)溥M(jìn)行最新的設(shè)計(jì)優(yōu)化，而不是“全新”拓?fù)?，是正確的觀點(diǎn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的電動(dòng)馬達(dá)類型都有其歷史淵源。
交流電機(jī)的設(shè)計(jì)，尋求消除轉(zhuǎn)子巨大的IR熱量耗散，而這對(duì)于感應(yīng)電機(jī)來(lái)講是與生俱來(lái)，無(wú)法消除的。相反，SynR設(shè)計(jì)利用帶有多個(gè)凸極的轉(zhuǎn)子，來(lái)優(yōu)化磁通的方向，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生可變的磁阻。PM電機(jī)的設(shè)計(jì)采用了永磁體，或者是在外殼，或者是在內(nèi)部。不管是SynR 轉(zhuǎn)子還是PM轉(zhuǎn)子，都有一個(gè)與感應(yīng)電機(jī)類似的定子結(jié)構(gòu)。
交流電機(jī)的另外一個(gè)不同是：不能直接從線上運(yùn)行。也就是說(shuō)，它們需要電子控制。由于需要實(shí)現(xiàn)電子驅(qū)動(dòng)，相對(duì)于可以直接從線上啟動(dòng)的感應(yīng)電機(jī)來(lái)講，對(duì)SynR和標(biāo)準(zhǔn)PM電機(jī)和驅(qū)動(dòng)“系統(tǒng)”的效率產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。類似的驅(qū)動(dòng)效率因子，也越來(lái)越多地應(yīng)用到由變頻驅(qū)動(dòng)控制的感應(yīng)電機(jī)上。
John Petro，是位于美國(guó)加利福尼亞州JPEAM公司的咨詢員，其在2014電機(jī)峰會(huì)（Motor Summit）上關(guān)于 《更高水平的電動(dòng)機(jī)效率》 的演講中，提到了電機(jī)拓?fù)?。他引用了ABB、Hitachi和NovaTorque公司開(kāi)發(fā)的具有IE5效率等級(jí)的商業(yè)和原型產(chǎn)品作為實(shí)例。
ABB公司的產(chǎn)品，被命名為SynRM，是同步磁阻電機(jī)，其能源損失比IE4等級(jí)降低20%。在2014年，該系列的產(chǎn)品被投入到市場(chǎng)，額定功率范圍為1~15kW，轉(zhuǎn)速為1000~4000。
NovaTorque公司所提供的鐵氧體PM電機(jī)，其創(chuàng)造性的幾何形狀，可以最大化轉(zhuǎn)子的表面區(qū)域和靜子接口。該設(shè)計(jì)提升了在接口通過(guò)的磁通量，據(jù)說(shuō)即使在使用價(jià)格較低的磁體的情況下，其效率值也已經(jīng)超過(guò)了建議的IE5等級(jí)。
同樣在2014年，Hitachi公司也開(kāi)發(fā)了一款I(lǐng)E5等級(jí)的原型電機(jī)，該電機(jī)具有非晶金屬核心（靜子）。據(jù)報(bào)道，該11kW等級(jí)的電機(jī)在滿負(fù)荷時(shí)，獲得了96%的能源效率，電機(jī)損失比IE4等級(jí)減少了30%（參見(jiàn)圖 1）。預(yù)計(jì)該產(chǎn)品將會(huì)在2015年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
圖1：非晶金屬核心設(shè)計(jì)使得Hitachi公司的11kW IE5原型電機(jī)能夠達(dá)到其所聲稱的效率改進(jìn)。
在上述三個(gè)例子中，電機(jī)都使用了鐵氧體磁鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能。在鐵氧體磁鐵方面，正在投入更多的努力，以便在和強(qiáng)度更大但是價(jià)格更高的稀土磁體的競(jìng)爭(zhēng)中更具優(yōu)勢(shì)。
此外，“在日本、美國(guó)、歐盟，可能還有中國(guó)，正在做大量的研究工作，試圖使電機(jī)滿足或超過(guò)IE5標(biāo)準(zhǔn)。比IE5等級(jí)更高的電機(jī)正在研發(fā)中，最終目標(biāo)是降低費(fèi)用。” Petro指出，有必要定義IE6、IE7、甚至IE8等更高的能效等級(jí)。他補(bǔ)充道，“如果有了這些能效等級(jí)，企業(yè)就有了追求的目標(biāo)，這樣領(lǐng)先的制造商在市場(chǎng)上就可以將它們的產(chǎn)品與其它廠家的拉開(kāi)距離。”
圖2顯示的是擴(kuò)展的IE等級(jí)。需要注意的是在IE5之上，期望每個(gè)能效等級(jí)會(huì)減少20%的能效損失，也就是說(shuō)在電機(jī)損失上要進(jìn)一步降低49%。這就需要一個(gè)野心足夠大、但是值得去努力的目標(biāo)。
圖2：未來(lái)的電機(jī)效率水平IE6到IE8也被添加到該圖中，因?yàn)樗鼈兣c目前在一些國(guó)家強(qiáng)制執(zhí)行的IE2和IE4水平有關(guān)聯(lián)。圖中還展示了IE5等級(jí)的預(yù)計(jì)效率以及3個(gè)IE5等級(jí)的電機(jī)產(chǎn)品。
新材料與性能
在電機(jī)設(shè)計(jì)以及相關(guān)的效率提升方面，最有可能發(fā)生的變化是什么？Petro認(rèn)為是軟磁體的應(yīng)用，比如非晶體、或納米晶體碟片材料，“在日本以及亞洲的其它地方，這已經(jīng)開(kāi)始了，并且有可能蔓延到工業(yè)電機(jī)市場(chǎng)”。Hitachi電機(jī)就是一個(gè)例子。
葡萄牙Coimbra大學(xué)的Anibal De Almeida認(rèn)為，非晶金屬磁體的應(yīng)用是電機(jī)效率提升的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。這個(gè)觀點(diǎn)也得到了其他一些專家的認(rèn)可，在未來(lái)數(shù)年內(nèi)，用于電機(jī)磁體的非晶金屬材料以及低損納米材料的重要性將得到提升。這些磁體材料的處理工藝復(fù)雜，為了實(shí)現(xiàn)所需的最優(yōu)生產(chǎn)制造方法，還有很多基礎(chǔ)工作要做。
De Almeida解釋道，在最近發(fā)布的歐盟委員會(huì)關(guān)于能源效率的研究報(bào)告中，已經(jīng)涵蓋三相感應(yīng)電機(jī)以外的技術(shù)。同步感應(yīng)和永磁交流電機(jī)再一次成為主要候選對(duì)象。最近市場(chǎng)上滿足IE5能效等級(jí)的電機(jī)，主要來(lái)自于ABB、Hitachi和NovaTorque公司（見(jiàn)圖2），此外還增加了一款WEG SA產(chǎn)品。該P(yáng)M交流電機(jī)在2014年投入市場(chǎng)，是WEG公司 W22系列產(chǎn)品的一部分，據(jù)報(bào)道在滿負(fù)荷時(shí)具有96.6%的效率，而損失要比IE4要低。
高扭矩比例曾經(jīng)是PM交流電機(jī)的一個(gè)參數(shù)。在早期，稀土磁體是實(shí)現(xiàn)高性能的一個(gè)選擇。在最近幾年，稀土磁性材料的價(jià)格已經(jīng)非常高，而且供應(yīng)不穩(wěn)定。其中一個(gè)替代的方案是尋求減少、或消除價(jià)格昂貴的稀土材料成分，比如釹、鏑等材料。對(duì)其它可能的PM材料的研究也在逐步增加。
鐵氧體（或陶瓷）磁鐵提供了另外一種選擇方案。這種低成本、供應(yīng)充足的材料應(yīng)用廣泛， 但是和釹鐵硼磁鐵相比，減少了3倍的功率密度。
在提升鐵氧體磁鐵方面，已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，包括高等級(jí)的復(fù)合、設(shè)計(jì)優(yōu)化和創(chuàng)新的電機(jī)配置，并獲得了一些進(jìn)展。新的鐵氧體磁鐵電機(jī)代表目前在此方面的進(jìn)展。“低成本鐵氧體磁鐵的使用日益廣泛。” De Almeida說(shuō)道。
隨著驅(qū)動(dòng)器控制的電機(jī)數(shù)量的不斷增加，在非滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速成為一個(gè)非常重要的考量因素。然而，發(fā)布的MEPS僅僅描述了滿負(fù)荷時(shí)的數(shù)值。在題為“傳動(dòng)系統(tǒng)的總體優(yōu)化”的報(bào)告中，比利時(shí)Ghent大學(xué)的Steve Dereyne強(qiáng)調(diào)了定義部分負(fù)荷效率的重要性——對(duì)泵和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)更是如此。IE4和IE5的效率水平，幾乎已經(jīng)達(dá)到感應(yīng)電機(jī)的技術(shù)極限。同步感應(yīng)電機(jī)，作為大有希望的替代品，再次被提及。
在某個(gè)工業(yè)風(fēng)機(jī)應(yīng)用測(cè)試案例中，將SynR作為標(biāo)準(zhǔn)IE2感應(yīng)電機(jī)的替代方案進(jìn)行了評(píng)估。設(shè)備的基本等級(jí)為11kW和1,500 rpm。SynR電機(jī)給出了期望的效率結(jié)果，并且相對(duì)感應(yīng)電機(jī)需要保持較高的部分負(fù)荷效率。
加拿大Hydro Quebec公司的Pierre Angers測(cè)試了4種75 kW類型的電機(jī)（感應(yīng)電機(jī)、SynR電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和PM交流電機(jī)），這些電機(jī)都由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，力矩和轉(zhuǎn)速的組合從100%變化到20%（共20組測(cè)點(diǎn)）。
根據(jù)Angers的報(bào)告，在所有轉(zhuǎn)速下，PM電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有最高的組合效率。“PM系統(tǒng)的效率和其它系統(tǒng)效率的差異很小：從在100%轉(zhuǎn)速的4%上升到25%轉(zhuǎn)速時(shí)的8~19%，” Angers說(shuō)，“測(cè)試的結(jié)果證明了從整體上來(lái)講，相對(duì)于其它技術(shù)，PM電機(jī)具有一定的效率優(yōu)勢(shì)，SynR緊隨其后，在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的效率稍低。”
未來(lái)電機(jī)的構(gòu)想
其它的新技術(shù)也有可能影響未來(lái)的電機(jī)設(shè)計(jì)。3D打印技術(shù)其中之一，盡管“零增材制造”可能是其更確切的描述。
美國(guó)IHS 技術(shù)公司的經(jīng)理和工業(yè)自動(dòng)化的高級(jí)分析師Alex Chausovsky將“增材制造”視為“變革中的生產(chǎn)制造過(guò)程”，認(rèn)為其將可以影響電機(jī)技術(shù)。他建議新轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)制造不要基于傳統(tǒng)的“層疊制造技術(shù)”。
在未來(lái)幾年，3D打印技術(shù)將會(huì)利用各種不同的金屬以及其它與電機(jī)相關(guān)的工業(yè)材料，實(shí)現(xiàn)不同的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。3D打印將可以利用不銹鋼、鎳、陶瓷以及其它材料來(lái)實(shí)現(xiàn)制造。（作者：Frank J. Bartos）
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