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观点| 高效电机推广困难,原来原因在此
2017-04-14 15:21:04   来源:   评论:0 点击:

根据数据统计,电机市场面向三类客户:终端用户、代理商和设备生产商。其产品用量所占比分别为:终端用户占5%,代理商约占15%,下游产业的...
 
根据数据统计,电机市场面向三类客户:终端用户、代理商和设备生产商。其产品用量所占比分别为:终端用户占5%,代理商约占15%,下游产业的机械设备生产商占80%。由此可见,高效电机能否被市场接受,关键在于下游产业的设备生产商的态度。
那么,这些应用领域的制造商在设计时为什么不考虑高效电机呢?
 

图为西门子:Simotics HV C高效高压电机



何为高效电机?
高效电机(High Efficiency Motor)是指效率较高的电机,其效率应该满足相关的能效等级要求。
 
简介
高效电机从设计、材料和工艺上采取措施,例如采用合理的定、转子槽数、风扇参数和正弦绕组等措施,降低损耗,效率可提高2%——8%,平均提高4%。2002年,中国电动机总容量约400GW,其中近80%为中小型,年用电量660TW·h。中小型电动机平均效率87%,国际先进水平为92%.中国中小型电动机节电潜力约为12TW·h。
从节约能源、保护环境出发,高效率电动机是现今国际发展趋势,美国、加拿大、欧洲相继颁布了有关法规。欧洲根据电动机的运行时间,制定的CEMEP标准将效率分为eff1(最高)、eff2、eff3(最低)三个等级,从2003-2006年间分步实施。最新出台的IEC 60034-30标准将电机效率分为IE1(对应eff2)、IE2(对应eff1)、IE3、IE4(最高)四个等级。我国承诺从2011年7月1日起执行IE2及以上标准。
 
特点
(1)效率高,IE2 比IE1 平均高3%,IE3 比IE1 平均高近5%左右。
(2)需使用更多高质量的材料。IE2 比IE1 电机成本高25%~30%,IE3 比IE1 电机成本高40%~60%左右。
(3)由于运行温度较低,电机寿命更长,可降低维护成本。
(4)典型设计情况下起动电流较大些。
(5)转子惯量较大。
(6)额定负载下转速较高,转差率较小。
 
节能措施
电动机提高效率的措施。电机的节能是一项系统工程,涉及电动机的全寿命周期,从电动机的设计、制造到电动机的选型、运行、调节、检修、报废,要从电动机的整个寿命周期考虑其节能措施的效果,国内外在这方面主要考虑从以下几个方面提高电机的效率。
节能电动机的设计是指运用优化设计技术、新材料技术、控制技术、集成技术、试验检测技术等现代设计手段,减小电动机的功率损耗,提高电动机的效率,设计出高效的电动机。
电动机在将电能转换为机械能的同时,本身也损耗一部分能量,典型交流电动机损耗一般可分为固定损耗、可变损耗和杂散损耗三部分。可变损耗是随负荷变化的,包括定子电阻损耗(铜损)、转子电阻损耗和电刷电阻损耗;固定损耗与负荷无关,包括铁芯损耗和机械损耗。铁损又由磁滞损耗和涡流损耗所组成,与电压的平方成正比,其中磁滞损耗还与频率成反比;其他杂散损耗是机械损耗和其他损耗,包括轴承的摩擦损耗和风扇、转子等由于旋转引起的风阻损耗;
 
五大损耗:
定子损耗
降低电动机定子I^2R损耗的主要手段实践中采用较多的方法是:
(1)增加定子槽截面积,在同样定子外径的情况下,增加定子槽截面积会减少磁路面积,增加齿部磁密;
(2)增加定子槽满槽率,这对低压小电动机效果较好,应用最佳绕线和绝缘尺寸、大导线截面积可增加定子的满槽率;
(3)尽量缩短定子绕组端部长度,定子绕组端部损耗占绕组总损耗的1/4~1/2,减少绕组端部长度,可提高电动机效率。实验表明,端部长度减少20%,损耗下降10%。
 
转子损耗
电动机转子I^2R损耗主要与转子电流和转子电阻有关,相应的节能方法主要有:
(1)减小转子电流,这可从提高电压和电机功率因素两方面考虑;
(2)增加转子槽截面积;
(3)减小转子绕组的电阻,如采用粗的导线和电阻低的材料,这对小电            动机较有意义,因为小电动机一般为铸铝转子,若采用铸铜转子,            电动机总损失可减少10%~15%,但现今的铸铜转子所需制造温度            高且技术尚未普及,其成本高于铸铝转子15%~20%.
 
铁耗
电动机铁耗可以由以下措施减小:
(1)减小磁密度,增加铁芯的长度以降低磁通密度,但电动机用铁量随之增加;
(2)减少铁芯片的厚度来减少感应电流的损失,如用冷轧硅钢片代替热轧硅钢片可减小硅钢片的厚度,但薄铁芯片会增加铁芯片数目和电机制造成本;
(3)采用导磁性能良好的冷轧硅钢片降低磁滞损耗;
(4)采用高性能铁芯片绝缘涂层;
(5)热处理及制造技术,铁芯片加工后的剩余应力会严重影响电动机的损耗,硅钢片加工时,裁剪方向、冲剪应力对铁芯损耗的影响较大。顺着硅钢片的碾轧方向裁剪、并对硅钢冲片进行热处理,可降低10%~20%的损耗等方法来实现。
 
杂散损耗
如今对电动机杂散损耗的认识仍然处于研究阶段,现今一些降低杂散损失的主要方法有:
(1)采用热处理及精加工降低转子表面短路;
(2)转子槽内表面绝缘处理;
(3)通过改进定子绕组设计减少谐波;
(4)改进转子槽配合设计和配合减少谐波,增加定、转子齿槽、把转子槽形设计成斜槽、采用串接的正弦绕组、散布绕组和短距绕组可大大降低高次谐波;采用磁性槽泥或磁性槽楔替代传统的绝缘槽楔、用磁性槽泥填平电动机定子铁芯槽口,是减少附加杂散损耗的有效方法。
 
风摩耗
到人们应有的重视,它占电机总损失的25%左右。摩擦损失主要有轴承和密封引起,可由以下措施减小:
(1)尽量减小轴的尺寸,但需满足输出扭矩和转子动力学的要求;
(2)使用高效轴承;
(3)使用高效润滑系统及润滑剂;
(5)采用先进的密封技术,如有无弹簧的新密封使用情况的报道,称通过有效减少与轴的接触压力,可使以6000 rpm转动的45mm直径的轴降低损耗近50 W;流动损失是由冷却风扇和转子通风槽引起的,用于产生空气流动来冷却电动机。流动损失一般占电动机总损失的20%左右。整个电动机的流体力学及传热学分析较复杂,其复杂程度甚至超过航天飞机部件分析,好的流体力学和传热学设计会极大提高电动机的冷却效率并降低流动损失。
 
高效电机推广为何这么难?

工业领域因财政政策落实不到位
  历年来,大量的数据可以看出工业领域电机能效提升对于节能环保的意义。工业电机能效每提高一个百分点,每年就可节约用电260亿千瓦时;而通过推广高效电机及对电机系统进行节能改造,就能够从整体上把电机系统效率提升5至8个百分点。
对于设备生产商而言,要提升电机能效,财政支持和市场作用是其资金的重要保障。但是根据目前的情况来看,由于国家在采用高效电机问题上所提出的强制性标准和财政扶持政策落实不到位,下游的采购商又因高效电机成本高而影响了选购热情。
因此工业领域商家给出的答案很简单,既然财政扶持政策没有落实,用户又没有提出高效要求,那就还是用回低效电机了。
 
家电领域因消费者以价格优惠为首选
  目前我国电机产品的效率普遍不高,这严重影响了家电产品的节能效果。若说工业领域还能在一定程度上依靠财政政策的扶持,那么家用电器无疑就是市场竞争的天下。有分析研究指出,与普通电机相比,高效电机的能耗平均可下降20%左右,而超高效电机能耗下降可达30%以上。
 
但是,家电制造商出于市场竞争的考虑,在最初的设计过程中自然也不会选择高效电机。因为高效电机的高成本也决定了其高价格,在当前市场竞争尤为激烈的中国市场,高价格意味着在销售的过程中面临更大的压力。而且,中国消费者在一定程度上对国产家电还是抱着“贪便宜”的心态,甚至有人直言:“要是国产家电跟国外产品一样的价钱,那我肯定选外国的牌子。”
再者,节能家电产品对家电的智能化程度提出了更高的要求,为实现节能环保,家电产品必须通过智能化的手段进行更为精密的控制以实现对能源的高效使用。不止需要价格更高的电机产品,还要额外采购电机控制芯片和方案,同时还得面临更加激烈的市场竞争,这必然会影响家电生产商对高效电机的选择。

汽车领域因国产新能源汽车尚未普及
  工业领域财政扶持不到位而放弃使用高效电机,家电市场竞争激烈而影响高效电机的应用。那么对于汽车产业来说,新能源汽车已经全面使用高效电机是毫无疑问的,包括各部件和其驱动所用的轮毂电机全都是高效电机。

其实新能源汽车(含混合动力和双燃料汽车)早在2013年就已经纳入“节能产品惠民工程”,在全国范围内推广,并按每辆3000元标准给予一次性补贴。当时规划到2020年,新能源汽车的累计产销量超过500万辆,而这一现象将带动驱动电机市场规模迅速增长。但是进入2015年之后,国产新能源汽车行业意识到靠国家补贴

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