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

张老五

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。

张老五

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！

张老五

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：

张老五

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。

张老五

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。

张老五

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。

张老五

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

张老五

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

张老五

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

张老五

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

张老五

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

张老五

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

yjhou

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。

lvwei1020

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

端木0118

书上说可变损耗和不变损耗相等，效率最高，不一定吧？

vincentkung

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

端木0118

高效电机片子什么样的？

睡倒喝咖啡

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

sczhang

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

e=mc^2

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