稀土永磁同步电动机发展现状与节能优化方案

我国，电能大约有2/3是各种设备上的电动机消耗的，而这些电动机中有3/4属于中小型异步电动机，因此提高中小型异步电动机的能效指标，实现节能降耗，保护环境，一直倍受国内外关注。

1.国外异步电动机节能的发展及标准

国际上自20世纪70年代就研制出“高效率电机”，其损耗平均下降20%左右;90年代又研制出更高效率的所谓“超高效率电机”，其损耗比普通电机下降30%左右。90年代初，美国电机制造商协会(NEMA)制定了高效率电机标准(NEMA12-10);不久又制订了超高效率电机效率标准(NEMA12-11);2001年美国NEMA与美国能源效率联盟(CEE)联合制订新的超高效率电机标准(NEMA12-12)，一般称为NEMApremium标准。其效率较NEMA12-10提高了1~3个百分点。

1999年欧盟与欧洲电力电子制造商协会(CEMEP)制订了电机能效标准(EU-CEMEP协议)。覆盖了全封闭扇自冷(IP54，IP55)三相鼠笼异步电动机，功率从1.1～90kW、2、4极、电压400V、50Hz，连续工作制S1。将其效率分为三级，即Eff1(高效率)、Eff2(改善效率)、Eff3(低效率)。2006年取消了Eff3这一级。EU-CEMEP协议对1.5kW、4极三相异步电动机效率规定见表1。

2006年10月30日，国际电工委员会(IEC)为制订单速三相异步电动机的能效分级标准在法兰克福召开了第一次工作会议，新制订的标准为IEC60034-30《三相单速鼠笼型感应电动机能效分级》，预计该项工作将于2008年内完成。该标准涵盖了0.75～200kW、2、4、6极，50Hz和60Hz三相异步电动机，其效率分为4级，即：A级为“超高效率”，B级为“高效率”，C级为“改进效率”，D级为“标准效率”。该标准对1.5kW、4极、50Hz，效率的规定见表2。

2.我国电动机的现状及问题

2002年1月10日，我国首次发布了要求强制执行的中小型三相异步电动机效率限值的标准：GB18613-2002《中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价》，于2006年修订为GB18613-2006《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》。其指标相当于欧盟EU-CEMEP协议的Eff1。我国的YX3高效率三相异步电动机的效率规定也与此大体相当。然而“由于强制性政策法规的缺乏，目前政府的执法与监督力度还相当薄弱。”GB18613标准实施存在着很大困难。致使“高效率电动机的推广应用步履蹒跚。”自1997年开始，我国发电量和用电量居仅次于美国的第二位。“因我国电能利用效率低，每年造成的电能浪费约2000亿kW˙h，相当于2.3个三峡电站26台70kW发电机年发电量的总和[3]。”“我国GDP每增长1%，能源消耗就要增长1.5%”而合理能源增长应为0.8%[4]。“我国与发达国家相比电能使用价值差距非常大。”每kW˙h所创造的工业产值欧盟国家为48元(折合人民币，下同)，日本接近52元，我国只有20多元。不到发达国家平均水平的一半。“差距意味着潜能，说明节能降耗，提高电能利用率潜力巨大[5]。”因此，提高我国中小型电动机的能效水平，是实现“节能减排”的一个重要途径。

自20世纪90年代，我国的一些科研院所、大专院校和工厂企业，开始着手研制高效率异步电动机。主要途径是增加有效材料用量，如加长铁芯，降低铁耗;加粗导线截面，以减少铜耗;转子铸铜以取代铸铝，以降低转子电耗;转子增加槽绝缘，以减少杂散损耗;……。根据文献[1]介绍：“高效率电机样机的有效材料用量与Y3系列电机相应规格比较，每千瓦用铜、铁和铝分别增加了57.53%、30.59%和49.03%……”。根据文献[2]介绍：“……Y2基本系列的效率算术平均值为86.77%。Y2-E设计的效率算术平均值为87.83%，效率提升了1.06个百分点。有效材料多用了13.6%，由此推测，当效率从表1的87.52%提高到90.73%时，有效材料约比Y2基本系列多用41.2%。如果设计时再留0.5个百分点的余量，则有效材料约比Y2基本系列多用47.6%……”。高效率异步电动机比原来的普通异步电动机多用了近50%的有效材料，只是在电动机使用过程中“节能减排”了。而这多用的近50%的材料也是要消耗能源进行冶炼、轧制、加工、运输。因此，高效异步电动机在制造过程中的“耗能增排”与使用过程中的“节能减排”到底抵消了多少，这笔帐值得细算。况且，材料使用多了，电动机的体积和质量也增加，这很可能影响到某些规格电动机的外形及安装尺寸，给广大用户在取代原有普通异步电动机的过程中带来麻烦。所以使中小型电动机高效化，只盯在异步电动机能耗指标上并非上策。

3.稀土永磁同步电动机的研制及效果

进入21世纪，国内外的一些科研机构、大专院校和工厂企业，纷纷研制稀土永磁同步电动机。华怡特种电机于2007年也加入了这一行列，并取得了一些可喜的成绩。其思路和电机界的同行们一样，就是在Y系列或YS系列三相异步电动机的基础上进行：定子冲片仍用原来的异步电动机的冲片;转子冲片重新设计，除了冲有供异步电动机启动的鼠笼槽数若干外，还要根据要求嵌放稀土永磁体的孔槽。待转子铸铝、穿轴、加工后，将永磁体插入、粘牢于相应的孔(或槽)内即可。是用YS系列三相异步电动机的YS90L-4这一规格进行改型设计的：其铁芯长由原来的90mm缩短为80mm，定子绕组重新设计，减少了铜线用量。因为考虑到电机效率高了，发热少，采取了两种方案：一是用小风扇，实际装了80#机座的风扇;二是不装风扇。通过升温试验，两种方案电机的升温均合格。通过试验其效率、功率因数都比原来的异步电动机有很大提高，其效率超过了IEC60034-30标准相同规格的6个多百分点。功率因数高出YX3系列高效率三相异步电动机YX390L-4 15个多百分点，见表3。

(2) YX3及YS电动机的效率、功率因数为标准值。

从4极1.5kW稀土永磁三相同步电动机样机的检测结果看，其力能指标确实达到了高效、超高效的水平，而且除了多用了稀土永磁材料——钕铁硼之外，其余的电机有效材料还少用了，至少不会多用。没多用材料，电机的体积和质量不会增加，安装尺寸可以维持不变。这将使广大的用户更换高效、超高效稀土永磁同步电动机带来了极大的方便，便于推广。从电机的负载变化看，稀土永磁三相同步电动机可以在25%～120%额定功率的范围内保持高功率因数和高效率状态下运行，而一般三相异步电动机通常只能在60%~100%额定功率保持一种低水平下的“高”性能工作(因它的力能指标比稀土永磁三相同步电动机低(见表3)。稀土永磁三相同步电动机的另一个优点就是在电网电压波动时能保持恒速(同步转速)运转，这一点对某些设备很重要。高效、超高效稀土永磁三相同步电动机因其效率高、功率因数高、电流小，使电网线损小，社会效益大。因此生产和使用高效、超高效稀土永磁三相同步电动机才是做到真正的“节能减排”。

4.结论

通过将YS90L-4三相异步电动机改造为稀土永磁三相同步电动机的实践，从中得到一个重要启示：中小型三相异步电动机利用第三代永磁材料——钕铁硼，改造成稀土永磁三相同步电动机，是实现中小型电机高效、超高效化的优选方案。当然，在这条道路上还有许多工作要做，通过全国电机界同行们的努力，实现中小型电机高效化，走出中国特色“节能减排”的新路来。