西莫论坛第六期研讨会——电机高效化及其对材料应用的影响
电机高效化是电机行业的一个重要的趋势，也是近几年行业中很热门的一个话题，无数的大大小小的电机制造企业，为了这个前景想破了脑袋，磨戛了嘴皮，也花了不少力气。
本次研讨会主要讨论电机高效化的相关技术、标准以及对铁心和材料方面的要求，供业界同仁参考，同时也欢迎行内人士参与讨论，并且提出真知灼见。
本次研讨会规则：
1、本贴主要讨论电机高效化、材料应用及其相关内容，应用范围是三相异步电机，对于其他类型的电机请勿涉及。
2、为了维持讨论秩序，不致引起混乱，发帖时请指明是提问还是回答。
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4、本帖讨论内容仅限电机、材料的情况以及对性能的影响，请勿发表题外内容，违者屏蔽或删帖。
电机是全社会能源的主要消耗都，广泛应用于各个领域。
据统计，电机要占工业用电量的70%左右，占全社会用电量的50%以上，对于发展中国家，这个比例可以高达60甚至更高。
因此，电机节能是降低全社会能耗和碳排放的重要方面。
有统计表明，在电机的全寿命成本中，采购价格仅占2%左右，其他费用（指维修等方面）也仅占0.7%，而剩下的97.3%均为能耗（电费）。
因此，电机节能大有可谓，且潜力巨大！ 我国在2012年制订了三相电机的能效标准，GB18613-2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》
该标准基本上是照搬了IEC60034-30中的50HZ的部分。
相应的能效数值见：
本帖最后由 张老五 于 2014-4-14 21:04 编辑
世界各国的能效提升计划
这个资料有点老了，不是很准确。
实际上，美国从九十年代就开始实实施高效电机计划，当时叫NEMA EPAct。到2010年底，美国正式实施了超高效电机的市场准入（NEMA Premium)。
欧洲进展要慢得多，实际上欧洲是从2012年起实施高效电机的强制标准，并且准备到2017年实施超高效电机市场准入，其中在2015年有一个过渡期的安排，即允许部分规格用变频调速来进行节能。
国内速度就更慢些一些，虽然18613进行过多次修订，第一版的标准是2002年，但都没有真正实施。直到2012年版才正式确定了在2012年9月1日起强制实施高效电机标准。
只不过实施的效果么，呵呵。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
至于超高效标准，那就更是遥遥无期了，标准上写的是四年以后——不过是推荐性的，并非强制。 本帖最后由 张老五 于 2014-4-14 21:08 编辑
前面说的是标准及其实施，现在要说说如何进行电机高效化
这个问题说简单也简单，说复杂也复杂。
这是电机的功率图，想必大家都不会陌生
因此呢
效率也就是：
因此，所谓提高电机的效率，
就是在保持机械功率不变的前提下，
减少各种损耗的过程
当然还要保持其他一些性能，比如启动性能等，基本上不变。 本帖最后由 张老五 于 2014-4-14 21:13 编辑
这是一台200KW电机的损耗分布情况
其中铁耗主要由于硅钢产生，同时与铜耗和杂散损耗之间又相互关联，在一定条件下可以进行转换。
那么如何降低损耗呢，请看大屏幕：
降低铜耗，主要靠的是减少绕组长度，或者增加绕组直径，降低机械耗，靠的是优化风扇和风路设计，当然选用低损耗的轴承也有一定的作用。
降低铁耗，那就只有在硅钢材料上下功夫了。 本帖最后由 张老五 于 2014-4-14 21:25 编辑
那么，为了实现电机的高效化，材料应该如何选择呢？
当时电科所在搞yx3设计时，选择的是牌号1（P15=4.34），但问题是这个性能的材料现在是没有的，市面上常见的800性能在5左右，达不到，而600通过都在4左右似乎又有点过剩。
而近年来上海电科所的YE3系列，又走了不同的路径，他们以160中心高为界，选择了两个牌号，小规格用高效470，性能大概是3.2，而大规格则用了350，性能约为2.8。
我个人的看法是，电科所的方案当然是很稳妥，的但yx3没有推广开，而YE3的材料成本明显相当的高，都不是特别合适。
从自身的研究和试制结果来看，我认为应该如下选择：
1、IE2高效电机的合理性能水平应该在4.0-4.2之间，市面上的600基本上都能满足此要求
2、如果还需要进一步优化，特别是对成本比较敏感的，材料性能最好再好一些，此外材料的导磁性能也要留有余地，B50应该在1.72以上，当然更高些更好
3、对IE3超高效电机而言，因为设计方案比较多，也比较杂，很难统一。但无论如何，材料应该相对于IE2有15%左右的铁损下降
4、如果是一个牌号打天下，那么可选高效470，性能优良价格合理，水平在3.2左右，这样小规格略有过剩，大规格则稍吃些容差，但有限
5、如果可以用两个牌号分别做，那么小规格可以再降低些性能，3.5左右亦可，但大规格还需要提升，希望能靠近3.0
6、不管怎么先，成本是非常重要的，这是决定了这个产品能否生存的关键 本帖最后由 张老五 于 2014-4-14 21:32 编辑
当然，口说无凭，拿实验数据说话
这个是IE2的试制结果，当时用材的性能在4.2左右，但磁感要高一些。
下面的是IE3超高效的试制结果，当时用材的性能在3.6-3.7之间。
说实话，小规格是没问题，大规格吃容差有点多了，所以材料性能还要提升，应该到3.5左右，或者更低
而更大的规格因为种种原因没有实际试制，但从前期的结果来看，材料还需要进一步降低铁损 本帖最后由 张老五 于 2014-4-14 21:37 编辑
下一个问题是，成本！成本！成本！
如果材料磁感上有优势，还有进一步优化的空间
这是对一台5.5千瓦4极电机的优化
结果还是不错滴
效率原来不达标，现在达标了，功率因数略有下降，不过还在标准允许的范围之内 本帖最后由 张老五 于 2014-4-14 21:40 编辑
对于功率因数有富余的设计，实际上还有另外一个办法可以提高效率，那就是扩大气隙
效果杠杠滴
干这活有个前提条件，功率因数要有余量，或者说，材料的导磁性要有余量。
不过提醒一下，2、4极的效果好，6极的不行，功率因数的下降会明显快于杂耗的下降 本帖最后由 张老五 于 2014-4-14 21:46 编辑
说到这里，有人肯定要问了，费那么大劲提高效率，真的有用吗？从成本上看合算么？
这个放心，有数据滴
这是节电率的实测
看上去是普遍超的，当然，原因可能是九十年代的y系列降成本降得厉害，嘿嘿
另外一下是投资回收率的实测
说明几种情况
1、这里是按三班生产的情况，单班的没那么多
2、自己发的电，成本大概0.5元，实际用电的成本，高的有到2块的，不好说
3、选的是负荷率高的电机，具体问题要具体分析
4、改造真的是件非常非常非常麻烦的事情 本帖最后由 张老五 于 2014-4-14 21:49 编辑
这是个实测的
原是一台22.5千瓦的电机，但测到的只是单相功率，实际功率要乘3的
基本上是满负荷，节电功率大概在0.2千瓦 本帖最后由 yjhou 于 2014-4-14 21:46 编辑
提问：
今天正好看见一个电动车马达，日立制作所为了提高马达效率，研制了定子铁芯使用非晶态金属来替换电磁钢板的试制品。贴上来给大家甄别一下：
1. 这个技术是有没有全面推广，还是不是属于新技术？
2. 是不是像文中所说的那么有效？
3. 有没有人用过，实际情况到底怎么样？
日立制作所为了提高马达效率，研制了定子铁芯使用非晶态金属来替换电磁钢板的试制品。非晶态金属芯的导磁率较高，可降低铁损，因此配合使用的磁铁可以 不使用昂贵的钕磁铁，而使用便宜的铁氧体磁铁。马达的效率提高到了93％。
日立制作所以提高马达效率为目的，开发出了新型马达铁芯材料。定子使用非晶态金属（非晶铁）而非通常的电磁钢板（结晶金属）（表1）。
非晶态金属的铁损低是因为铁芯的厚度较薄。非晶态金属是把厚度0.025mm的薄片切割成事先定好的宽度加工而成。由于厚度较薄，因此产生的涡电流的路径 较短。结合高导磁率这一优势，非晶态金属原本就流经的电流较少，再加上厚度较薄，可更好地抑制涡电流的产生。涡电流是由流经线圈的电流所决定的。
马达效率达到93％ 马达额定输出功率约为150W时，以往马达的效率为80％左右，而此次试制马达最初就提高到了85％左右（图6）。通过改进马达铁芯的形状，试制马达的效 率最近又进一步提高，成功达到了93％。 此次试制的马达，尺寸为直径100mm×高60mm。采用磁铁8极、铁芯12个的构造。额定转速为3000转/分，额定转矩为0.64N·m。
不是很清楚，所谓的高效电机，无非是硅钢片改了，然后提高效率，其他还有什么方法？降低磁密？-----------提问 书上说可变损耗和不变损耗相等，效率最高，不一定吧？ 张老五 发表于 2014-4-14 20:47
这是一台200KW电机的损耗分布情况
一般所谓的杂散损耗指的是什么 高效电机片子什么样的？ 从电机本体设计和电机的控制方式两个方面都有方法提高效率吧 老五兄的讲解很精彩 高效电机我看到的热点是采用铜转子 有的采用锥形转子 变频环境下的铁耗更是可观啊
对于10kw以下的中小型异步电机来说，材料对铁耗的影响并不是那么明显。 降低铁损的同时会增加励磁电流进而增加铜耗。
电机优化设计一直是个矛盾的命题