過去20年，三相籠型異步電動機發(fā)生了引人注目的能源效率提升。這一切都來源于設(shè)計的改進——比如利用更好的電活性材料，以及電機電路的進步，以及標準化的測試和最低能效標準（MEPS）的頒布。
由于在全世界范圍內(nèi)巨大的裝機量，交流感應(yīng)電機毫無懸念的被選作效率提升的對象。相對粗獷、簡陋的結(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)界電動機的“主力”。電動機驅(qū)動系統(tǒng)所消耗的能源占到全球所有電能產(chǎn)量的46%。
其中一個關(guān)于電動機效率的清晰概念來源于IE等級定義，在國際電工技術(shù)委員會（IEC）的標準60034-30“國際效率等級”中有詳細的定義。該標準按照從低到高的順序依次定義了效率等級IE1（標準）到IE4(最高級)，以及從0.12到1000kW規(guī)格電機所要求達到的效率值，此外還規(guī)定了IE5等級（超高級）。IE5等級的電機還沒有嚴格的定義，但是建議其電機損失要比IE4等級的小20%。
到目前為止，MEPS僅僅被部分國家選擇作為強制標準，而且僅僅到IE3等級。在MEPS的應(yīng)用方面，美國處在領(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。加拿大和墨西哥還有其它國家，緊隨其后，還有一些國家在正在努力接受該標準。
在2015年1月1日，歐盟已經(jīng)開始實施邁向IE3的三個步驟中的第二階段，但是直到2017年1月，所有規(guī)格的電機才會完全符合該標準的要求。目前美國監(jiān)管條例所覆蓋的電機包括所有的從1 到500 hp (0.75到 375 kW)的連續(xù)運行多相電機。
作為參考，IE3等級的電機大概對應(yīng)于美國使用的NEMA（美國電氣制造協(xié)會）高級效率水平。例如，一臺200 hp (150 kW), 4極60 Hz NEMA的高等級電機，在滿負荷時，其名義效率應(yīng)達到96.2%。一臺功率為160kW左右、4極50 Hz的IEC電機，其名義效率能夠達到95.8%，那它就是IE3等級。
需要注意的是，IE3等級的電機未來將在更多的國家成為強制標準，較低效率的電機則不能合法的進入到市場。這將是大勢所趨，盡管在全世界范圍內(nèi)老的、低效的電機仍然占有很大的比例。一些大型的電機制造商在強制效率標準方面保持領(lǐng)先，其感應(yīng)電機的設(shè)計能夠滿足最高IE4的標準。但是對于某些小型號的電機而言，可能需要假以時日。在滿足IE4標準方面，一個比較有意思的進展是壓鑄銅轉(zhuǎn)子設(shè)計，該設(shè)計被用于從SEW歐洲驅(qū)動、西門子以及其它廠家選擇電機模型的。很多不同的方法都可以使感應(yīng)電機滿足IE4的效率要求，不過其初始費用也會相應(yīng)的提高。
IE4等級的感應(yīng)電機已經(jīng)被證明具有非常高的效率，尤其是在大型動力方面。電機的開發(fā)人員和制造商已經(jīng)開始展望未來，開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。
這意味著拓撲結(jié)構(gòu)的電機設(shè)計可以大展拳腳了。最主要的替代拓撲結(jié)構(gòu)包括同步磁阻（SynR）和永磁（PM）交流電機類型。采用“替代”拓撲進行最新的設(shè)計優(yōu)化，而不是“全新”拓撲，是正確的觀點，因為大多數(shù)的電動馬達類型都有其歷史淵源。
交流電機的設(shè)計，尋求消除轉(zhuǎn)子巨大的IR熱量耗散，而這對于感應(yīng)電機來講是與生俱來，無法消除的。相反，SynR設(shè)計利用帶有多個凸極的轉(zhuǎn)子，來優(yōu)化磁通的方向，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生可變的磁阻。PM電機的設(shè)計采用了永磁體，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，都有一個與感應(yīng)電機類似的定子結(jié)構(gòu)。
交流電機的另外一個不同是：不能直接從線上運行。也就是說，它們需要電子控制。由于需要實現(xiàn)電子驅(qū)動，相對于可以直接從線上啟動的感應(yīng)電機來講，對SynR和標準PM電機和驅(qū)動“系統(tǒng)”的效率產(chǎn)生了一定的負面影響。類似的驅(qū)動效率因子，也越來越多地應(yīng)用到由變頻驅(qū)動控制的感應(yīng)電機上。
John Petro，是位于美國加利福尼亞州JPEAM公司的咨詢員，其在2014電機峰會（Motor Summit）上關(guān)于 《更高水平的電動機效率》 的演講中，提到了電機拓撲。他引用了ABB、Hitachi和NovaTorque公司開發(fā)的具有IE5效率等級的商業(yè)和原型產(chǎn)品作為實例。
ABB公司的產(chǎn)品，被命名為SynRM，是同步磁阻電機，其能源損失比IE4等級降低20%。在2014年，該系列的產(chǎn)品被投入到市場，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，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)計提升了在接口通過的磁通量，據(jù)說即使在使用價格較低的磁體的情況下，其效率值也已經(jīng)超過了建議的IE5等級。
同樣在2014年，Hitachi公司也開發(fā)了一款I(lǐng)E5等級的原型電機，該電機具有非晶金屬核心（靜子）。據(jù)報道，該11kW等級的電機在滿負荷時，獲得了96%的能源效率，電機損失比IE4等級減少了30%（參見圖 1）。預(yù)計該產(chǎn)品將會在2015年實現(xiàn)商業(yè)化。
圖1：非晶金屬核心設(shè)計使得Hitachi公司的11kW IE5原型電機能夠達到其所聲稱的效率改進。
在上述三個例子中，電機都使用了鐵氧體磁鐵來實現(xiàn)高性能。在鐵氧體磁鐵方面，正在投入更多的努力，以便在和強度更大但是價格更高的稀土磁體的競爭中更具優(yōu)勢。
此外，“在日本、美國、歐盟，可能還有中國，正在做大量的研究工作，試圖使電機滿足或超過IE5標準。比IE5等級更高的電機正在研發(fā)中，最終目標是降低費用。” Petro指出，有必要定義IE6、IE7、甚至IE8等更高的能效等級。他補充道，“如果有了這些能效等級，企業(yè)就有了追求的目標，這樣領(lǐng)先的制造商在市場上就可以將它們的產(chǎn)品與其它廠家的拉開距離。”
圖2顯示的是擴展的IE等級。需要注意的是在IE5之上，期望每個能效等級會減少20%的能效損失，也就是說在電機損失上要進一步降低49%。這就需要一個野心足夠大、但是值得去努力的目標。
圖2：未來的電機效率水平IE6到IE8也被添加到該圖中，因為它們與目前在一些國家強制執(zhí)行的IE2和IE4水平有關(guān)聯(lián)。圖中還展示了IE5等級的預(yù)計效率以及3個IE5等級的電機產(chǎn)品。
新材料與性能
在電機設(shè)計以及相關(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)開始了，并且有可能蔓延到工業(yè)電機市場”。Hitachi電機就是一個例子。
葡萄牙Coimbra大學(xué)的Anibal De Almeida認為，非晶金屬磁體的應(yīng)用是電機效率提升的一個發(fā)展趨勢。這個觀點也得到了其他一些專家的認可，在未來數(shù)年內(nèi)，用于電機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)布的歐盟委員會關(guān)于能源效率的研究報告中，已經(jīng)涵蓋三相感應(yīng)電機以外的技術(shù)。同步感應(yīng)和永磁交流電機再一次成為主要候選對象。最近市場上滿足IE5能效等級的電機，主要來自于ABB、Hitachi和NovaTorque公司（見圖2），此外還增加了一款WEG SA產(chǎn)品。該PM交流電機在2014年投入市場，是WEG公司 W22系列產(chǎn)品的一部分，據(jù)報道在滿負荷時具有96.6%的效率，而損失要比IE4要低。
高扭矩比例曾經(jīng)是PM交流電機的一個參數(shù)。在早期，稀土磁體是實現(xiàn)高性能的一個選擇。在最近幾年，稀土磁性材料的價格已經(jīng)非常高，而且供應(yīng)不穩(wěn)定。其中一個替代的方案是尋求減少、或消除價格昂貴的稀土材料成分，比如釹、鏑等材料。對其它可能的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)進行了大量的研究工作，包括高等級的復(fù)合、設(shè)計優(yōu)化和創(chuàng)新的電機配置，并獲得了一些進展。新的鐵氧體磁鐵電機代表目前在此方面的進展。“低成本鐵氧體磁鐵的使用日益廣泛。” De Almeida說道。
隨著驅(qū)動器控制的電機數(shù)量的不斷增加，在非滿負荷運行時，電機的轉(zhuǎn)速成為一個非常重要的考量因素。然而，發(fā)布的MEPS僅僅描述了滿負荷時的數(shù)值。在題為“傳動系統(tǒng)的總體優(yōu)化”的報告中，比利時Ghent大學(xué)的Steve Dereyne強調(diào)了定義部分負荷效率的重要性——對泵和風(fēng)機系統(tǒng)更是如此。IE4和IE5的效率水平，幾乎已經(jīng)達到感應(yīng)電機的技術(shù)極限。同步感應(yīng)電機，作為大有希望的替代品，再次被提及。
在某個工業(yè)風(fēng)機應(yīng)用測試案例中，將SynR作為標準IE2感應(yīng)電機的替代方案進行了評估。設(shè)備的基本等級為11kW和1,500 rpm。SynR電機給出了期望的效率結(jié)果，并且相對感應(yīng)電機需要保持較高的部分負荷效率。
加拿大Hydro Quebec公司的Pierre Angers測試了4種75 kW類型的電機（感應(yīng)電機、SynR電機、開關(guān)磁阻電機和PM交流電機），這些電機都由變頻電機驅(qū)動，力矩和轉(zhuǎn)速的組合從100%變化到20%（共20組測點）。
根據(jù)Angers的報告，在所有轉(zhuǎn)速下，PM電機驅(qū)動系統(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?。簭脑?00%轉(zhuǎn)速的4%上升到25%轉(zhuǎn)速時的8~19%，” Angers說，“測試的結(jié)果證明了從整體上來講，相對于其它技術(shù)，PM電機具有一定的效率優(yōu)勢，SynR緊隨其后，在整個運行范圍內(nèi)的效率稍低。”
未來電機的構(gòu)想
其它的新技術(shù)也有可能影響未來的電機設(shè)計。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IHS 技術(shù)公司的經(jīng)理和工業(yè)自動化的高級分析師Alex Chausovsky將“增材制造”視為“變革中的生產(chǎn)制造過程”，認為其將可以影響電機技術(shù)。他建議新轉(zhuǎn)子的設(shè)計制造不要基于傳統(tǒng)的“層疊制造技術(shù)”。
在未來幾年，3D打印技術(shù)將會利用各種不同的金屬以及其它與電機相關(guān)的工業(yè)材料，實現(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實現(xiàn)制造。（作者：Frank J. Bartos）
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