能源緊張是影響我國國民經(jīng)濟發(fā)展的一個重要問題，也是全世界共同關(guān)心的問題。而工業(yè)用電動機消耗了大部分的能源，因此提高工業(yè)用電動機的效率可以獲得顯著的節(jié)能效果。根據(jù)IEC制定的超高效和超超高效電機效率標(biāo)準(zhǔn)，永磁電動機由于采用永磁體勵磁，在提高效率方面具有很大的空間和優(yōu)勢。針對永磁電動機自身特點，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計可以達到IEC規(guī)定的IE3和IE4的效率限值?？紤]到我國稀土資源率富和稀土永磁產(chǎn)量已列世界前茅的優(yōu)勢，研發(fā)起高效和超超高效永磁同步電動機是我國發(fā)展高效電機的重要速徑。
關(guān)鍵詞：電動機；效率；瘩磁；節(jié)能
l 引言
能源緊張是影響我國國民經(jīng)濟發(fā)展的一個重要問題，也是全世界共同關(guān)心的闊題。節(jié)能是我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的一項長遠戰(zhàn)略方針，也是當(dāng)前一項極為緊迫的任務(wù)。據(jù)國際電工委員會(IEC)統(tǒng)計，工業(yè)用電動機消耗全世界發(fā)電量的30％－40％，改善整個驅(qū)動系統(tǒng)(電動機和調(diào)速傳動)和應(yīng)用技術(shù)(或工藝技術(shù))的效率對節(jié)能關(guān)系重大，系統(tǒng)優(yōu)化總的節(jié)能潛力可達到30％～60％。據(jù)國際能源機構(gòu)(IEA)2006年7月的工作報告，通過改善電動機效率結(jié)合變頻調(diào)速可以節(jié)約大約7％的電能，其中大致有1／4～1／3是靠提高電動機效率來獲得的，其余部分則來自系統(tǒng)的改進。目前，美、歐、日、澳大利亞、巴西等國都紛紛制訂電動機效率限值，并強制執(zhí)行。
為協(xié)調(diào)各國能效分級標(biāo)準(zhǔn)，2006年IEC制定一項新的能效標(biāo)準(zhǔn)IEC60034－30。該標(biāo)準(zhǔn)將一般用途電動機效率水平分為IEl(International Efficiency，簡稱IE)、IE2、IE3和IE4四級，其中IEl為標(biāo)準(zhǔn)效率，相當(dāng)于我國目前生產(chǎn)的普通系列感應(yīng)電動楓的效率水平；IE2為高效率，比普通電機的效率平均提高2．75個百分點，損耗平均下降20％左右；IE3為超高效率，即效率再提高1．5--一2個百分點，損耗平均再降低15％左右，目前只有美國預(yù)計2010年達到IE3能耗水平，強制執(zhí)行；IE4為超超高效率，損耗預(yù)計再下降20％左右，需要進行全新的電機設(shè)計，建也新的體系結(jié)構(gòu)(新的電機極數(shù)、速度范圍)，采用更高性能的材料。
眾所周知，永磁電動機采用永磁體勵磁，不需要無功勵磁電流，所以顯著提高功率因數(shù)，減小了定子電流和定子電阻損耗；而且在穩(wěn)定運行時沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，進而可以因總損耗降低而減小風(fēng)扇(小容量電機甚至可以去掉風(fēng)扇)和相應(yīng)的風(fēng)摩耗，從而使其效率和功率因數(shù)比同規(guī)格感應(yīng)電動機高。兩且在輕載時仍可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著。因此，永磁電動機較容易做到高效率，既達到lE2級的效率值。如果迸一步優(yōu)化設(shè)計，采用高性硅鋼片和先進工藝，在降低一個機座號或者縮短鐵心的情況下，可以達到超高效，既IE3級的效率值；在不降低機座號或適當(dāng)增加鐵心的情況下，部分規(guī)格有可能達到超超高效，既IE4級的效率值。
考慮到我國稀土資源豐富和稀土永磁產(chǎn)量已列世界前茅的優(yōu)勢，研發(fā)超高效和超超高效永磁同步電動機是我國發(fā)展高效電機的重要途徑。
2我國高效永磁同步電動機的研發(fā)現(xiàn)狀
國內(nèi)許多高校、研究所和企業(yè)針對不同應(yīng)用場合，先后開發(fā)出了多種高效、超高效超超高效異步起動永磁同步電動機和變頻調(diào)速永磁同步電動機產(chǎn)品?，F(xiàn)簡要介紹幾種典型產(chǎn)品，需要說明的是，這些產(chǎn)品是在IEC60034－30頒布之前研發(fā)的，與IE3和IE4的效率值稍有出入，只要調(diào)整設(shè)計和優(yōu)華，有可能達到所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。
2．1油田抽油機用高效高起動轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機
目前，油田抽油機用感應(yīng)電動機普遍存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，電能浪費嚴(yán)重。國內(nèi)針對油田抽油機負載特性，在減小l～2個機座號的情況下開發(fā)出高效高起動轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機系列(圖1)，該系列電機不僅在額定負載時效率和功率因數(shù)高，并且在輕載(1／4額定負載)時仍具有用較高的效率和功率因數(shù)，在不同油田運行時節(jié)電率達20％以上，表5為其中兩種典型規(guī)格電機效率與感應(yīng)電動機和IE3標(biāo)準(zhǔn)對比。
2．2化纖紡織用高效高牽入轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機
化纖紡織用高效高牽入轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機屬于異步起動永磁同步電動機?；w紡織用電機穩(wěn)定運行時負載并不很大，但是其負載的轉(zhuǎn)動慣量卻很大，這對電機的牽入同步能力提出了較高的要求。永磁同步電動機在起動過程中不但要求有足夠的起動轉(zhuǎn)矩，以克服負載轉(zhuǎn)矩使電機起動并運行到接近同步轉(zhuǎn)速，還要求電機有足夠高的牽入同步能力，使電機能夠順利牽入同步，這在設(shè)計上是相互制約的，而且永磁同步電機由于轉(zhuǎn)子上要安放永磁體，轉(zhuǎn)子槽不可能太深，使起動性能的改善更難。因此在相同負載情況下，化纖紡織用電機尺寸一般比普通電機大l～2個功率等級，使得電機在運行時也存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，電能浪費嚴(yán)重。國內(nèi)經(jīng)過多年研究，所開發(fā)的7．5kW4極、llkW4極、15kW4極和18．5kW4極在體積不增大的情況下能夠達到超高效甚至超超高效性能指標(biāo)(見表6和表7)。綜合節(jié)電與普通感應(yīng)電動機比高到23％左右，與紡織專用電機比也在10％～15％左右，節(jié)電效果非常明顯。
2．3高效高過載能力永磁同步電動機
高效高過載能力永磁同步電動機主要是應(yīng)用于風(fēng)機、泵類負載。據(jù)電力部門估算，煤炭行業(yè)的風(fēng)機、水泵在20世紀(jì)五、六十年代的老設(shè)備約占1／3，其本身運行效率只有30％一40％，系統(tǒng)運行效率大約為20％。由此造成的能源浪費是巨大的。因此針對風(fēng)機、泵類負載特點，國內(nèi)在十五期間，通過對該類電機的共性關(guān)鍵技術(shù)研究，解決了制約該類電視的技術(shù)難題，所開發(fā)的1lkW2極電機和18．5kW4極電機(見圖3)都達到了IE4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的效率值(見表8)。
另一類特殊用途的高效高過載能力永磁同步電動機為屏蔽泵用永磁同步電動機，該類電機主要用于石油、化工、制冷、制藥、核工業(yè)及許多新興工業(yè)部門運送易燃、易爆、有毒、貴重、腐蝕燃、放射性的各種介質(zhì)。為保護電機的譽受腐蝕，必須在定轉(zhuǎn)子外面加密閉的屏蔽套，這就需要加大定轉(zhuǎn)子之間的氣隙。降低了電機的效率和功率因數(shù)，因此造成電能浪費嚴(yán)重。這種電機若改為永磁電機主要制約因素為：轉(zhuǎn)子細長、轉(zhuǎn)子空間有限；永磁體高溫退磁問題。國家稀土永磁電機工程技術(shù)研究中心通過技術(shù)攻關(guān)，解決了關(guān)鍵技術(shù)問題，研制出5．5kW4極和370W2板兩種規(guī)格樣機(見圖4)，該電機與同規(guī)格感應(yīng)電動機相比數(shù)據(jù)如圖9所示。
2．4中型異步起動高效稀土永磁同步電動機
目前，中小異步起動高效永磁同步電動機主要用作驅(qū)動“三機一泵”(風(fēng)機、壓縮機、冷凍機和水泵)，這類負載要求高效率、高功率因數(shù)和高過載能力，同時要求運行穩(wěn)定可靠。中大型永磁同步電動機在效率掇舞技術(shù)上可以采用小型高效高過載能力永磁同步電動機的技術(shù)措施，但制約中型高效稀土永磁同步電動機研發(fā)的主要因素是工藝結(jié)構(gòu)問題。因為中小型電機轉(zhuǎn)子空間有限，在有限空間內(nèi)既要放置足夠的永磁體來滿足所需的磁通，又要放置起動籠來滿足異步起動能力，同時還要開一定面積的軸向通風(fēng)孔，保證電機的溫升滿足標(biāo)準(zhǔn)，因此會造成每個細節(jié)尺寸非常緊張，機械強度接近極限(如圖5所示)。目前該類電機主要是在原有電機上進行改造，通過技術(shù)攻關(guān)，國家稀土永磁電機工程技術(shù)研究中心研發(fā)出112kW4極、300kW4極、260kw4極和3lOkW6極幾種典型規(guī)格祥機，圖6為1120kW4極樣機照片。兩種電機性能指標(biāo)與原感成電動機相比如表10所示。節(jié)能效果明髭，以300kW為例，經(jīng)北京首鋼現(xiàn)場實測節(jié)電率為7。2％，一年可節(jié)電16．6萬kW．h，如果是全新設(shè)計，效率還能提高。
2．5 中型變頻調(diào)速高效永磁同步電動機
在風(fēng)機、泵類負載，還可以通過變頻調(diào)速永磁電機來提高節(jié)電率和降低起動電流。國家工程技術(shù)研究中心在十五期間，通過對變頻調(diào)速電機關(guān)鍵技術(shù)研究，開發(fā)出135kW、200kW和300kW三種規(guī)格變頻調(diào)速高效永磁同步電動機，在現(xiàn)場運行實測節(jié)電率都在40％以上。圖7為300kW電機照片。
3永磁同步電動機提高效率的關(guān)鍵技術(shù)
在總結(jié)國內(nèi)許多高校、研究所和企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出多種高效、超高效和超超高效異步起動永磁電動機和變頻調(diào)速永磁電動機的經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過研究分析認為，只要進一步優(yōu)化設(shè)計，采用高性能材料和先進工藝，可以開發(fā)出符合IEC60034—30能效分級標(biāo)準(zhǔn)的兩個系列的高效永磁同步電動機。
一是在比感應(yīng)電動機降低一個機座號或機座號不變而縮短鐵心的情況下，使永磁同步電動機的效率指標(biāo)達到超高效，即IE3的效率標(biāo)準(zhǔn)，二是機座號不變或者適當(dāng)加長鐵心，使永磁同步電動機的效率指標(biāo)達到超超高效，即IE4的效率標(biāo)準(zhǔn)。兩者的功率因數(shù)都達到0．93以上。同時要在滿足起動性能和保證高溫不失磁的前提下盡鼉降低成本。
為此，既要采用超高效感應(yīng)電動機降低損耗、提高效率的技術(shù)，如采用高性能硅鋼片、提高定子槽滿率、用鑄銅轉(zhuǎn)子代替鑄鋁轉(zhuǎn)子，改進風(fēng)扇設(shè)計和提高制造精度等：又要針對永磁同步電動機的設(shè)計制造特點，對下列關(guān)鍵技術(shù)進行研究攻關(guān)。國內(nèi)對此已經(jīng)做了大量工作，取得了一砦突破性進展，但尚須進一步完善，進而在傘行業(yè)推廣應(yīng)用。
3．1 完善場路結(jié)合的電機設(shè)計計算程序和軟件包，提高計算精度
當(dāng)前永磁同步電動機的設(shè)計計算精度低于感應(yīng)電動機，因此需要修改完善永磁電機電磁場分析計算軟件，同時運用計算軟件，分析計算各種磁路結(jié)構(gòu)的三維磁場，從中總結(jié)出端部效應(yīng)的規(guī)律，對二維電磁場計算軟件進行分析修正，既方便計算，又提高計算精度。
在總結(jié)已開發(fā)樣機經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對原有以路為主的電磁計算軟件中的各項參數(shù)和系數(shù)進行修正，并與電磁場計算軟件耦合起來形成場路結(jié)合的計算軟件。
完善適合永磁同步電動機特點的機械計算、熱計算和振動、噪聲分析計算軟件。
在總結(jié)、完善上述軟件的基礎(chǔ)上，充實數(shù)據(jù)庫，形成完整的軟件包，在全行業(yè)推廣應(yīng)用，以提高全行業(yè)的研發(fā)水平。
3．2磁路結(jié)構(gòu)及尺寸的優(yōu)化設(shè)計
超高效和超超高效永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子窄間有限，既要安放足夠的永磁體以提供必需的氣隙磁密和改善磁場波形，又要安放足夠的起動籠在滿足所要求起動轉(zhuǎn)矩(含堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩、牽入轉(zhuǎn)矩和失步轉(zhuǎn)矩)的前提下．減少堵轉(zhuǎn)電流，還要使轉(zhuǎn)子有足夠的強度和剛度，便于制造，需要對磁極結(jié)構(gòu)、起動籠槽型等進行創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計，在大量實踐的基礎(chǔ)上總結(jié)出設(shè)計準(zhǔn)則。
3.3電磁負荷的優(yōu)化選擇
超高效和超超高效永磁同步電機的磁路波形接近矩形波，齒磁密與軛磁密的分布與感應(yīng)電機不同，需要對定子槽形進行優(yōu)化設(shè)計，以降低總鐵耗。由于效率和功率因數(shù)都高于感應(yīng)電機，其電磁負荷的合理分配和選擇以及風(fēng)扇設(shè)計也與感應(yīng)電機不同，需要進行熱計算和冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，從而總結(jié)出優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則。
3．4負載鐵耗的修正和減少負載雜散損耗的技術(shù)
永磁同步電動機沒有轉(zhuǎn)子銅(鋁)耗，定子銅耗較小，鐵耗和負載雜散損耗占總損耗的比例較感應(yīng)電動機大，因此重點應(yīng)放在降低鐵耗和負載雜散損耗。
高效永磁同步電動機的空載氣隙磁場中諧波含量比感應(yīng)電機大，因而空載雜散損耗大，使空載鐵耗(含空載雜散損耗)大；而負載時氣隙磁密降低，使負載鐵耗比空載鐵耗小，需要通過大量計算和試驗以總結(jié)提出負載鐵耗的修正系數(shù)。
超超高效永磁同步電動機的負載雜散損耗雖小于感應(yīng)電機，但仍占總損耗的很大比例，要進一步提高效率必須著重減少負載雜散損耗，這就需要進行大量電磁場計算，總結(jié)影響雜散損耗的影響因素，探索減少雜散損耗的設(shè)計技術(shù)和制造工藝措施。同時需要運用高精度的電量和轉(zhuǎn)矩測量儀器對大量樣機進行測試，總結(jié)歸納出負載雜散損耗的數(shù)值和影響規(guī)律。
3．5制造工藝技術(shù)研究
超高效永磁同步電動機成本高的原因之一是制造工藝較復(fù)雜。除采用感應(yīng)電動機的先進制造工藝外，還要進行裝配后永磁體充磁技術(shù)、帶磁永磁體裝配技術(shù)等制造工藝技術(shù)研究，并開發(fā)相應(yīng)的工裝模具。做到既提高生產(chǎn)效率，又降低制造成本。
3．6試驗方法研究
永磁電機采用永磁體勵磁，其試驗方法不能完全采用感應(yīng)電動機和電勵磁同步電動機的試驗方法，難點在于：①鐵耗的測試和分離，在用損耗分析法測試效率時，在感應(yīng)電動機標(biāo)準(zhǔn)中認為負載和空載鐵耗是不變的，而永磁電機由于電樞反應(yīng)以及溫度變化對永磁體性能的影響，使得鐵耗從空載到負載變化較大，因此要針對永磁電機的特性進行試驗研究，總結(jié)出鐵耗測試方法及修正規(guī)律：②堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、堵轉(zhuǎn)電流、最小轉(zhuǎn)矩和牽入轉(zhuǎn)矩的測試，由于永磁體的存在，在做堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩試驗時電機產(chǎn)生振動，容易對電機造成機械破壞或測試儀表損壞：最小轉(zhuǎn)矩和牽入轉(zhuǎn)矩的測試要求也與普通電機不同；因此需對測試轉(zhuǎn)矩的不同方法進行試驗驗證和分析研究，最終總結(jié)出永磁電機轉(zhuǎn)矩特性測試方法和修正方法；⑧負載雜散損耗的精確測量；④永磁體性能一致性和穩(wěn)定性的檢測方法。
4高效率電動機節(jié)能潛力和經(jīng)濟效益
根據(jù)國內(nèi)外調(diào)查，工業(yè)領(lǐng)域電動機年平均運行時間約在3000h左右，但在石油、化工、造紙、冶金、電力等行業(yè)，電動機年運行時間往往超過6000h，對于這些運行時間長的場合，如采用高效、超高效甚至超超高效永磁電動機將會對能源節(jié)約帶來更顯著的效果。
據(jù)統(tǒng)計，2006和2007年全國共生產(chǎn)各種電動機2．5億kW，其中中小型電動機年產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的70％～80％。中小型電動機耗電量占總發(fā)電量的50％，加上大型電動機和微電機，耗電量達60％，是電力生產(chǎn)部門最大的用戶。如果效率平均提高一個百分點，則將會節(jié)約電能1833萬kw，按工業(yè)用電0．6元k/w．h計算，則可節(jié)約電費1100萬元左右，同時還可以減少663萬kg炭排量。根據(jù)《京都議定書》，每噸炭排量可以銷售到15～18美元，中國和聯(lián)合國正在北京籌建炭交易中心，預(yù)計2012年，中國炭排量定額占41％，也就是說超過41％，要花錢買炭排量，低于41％，可以賣出。因此高效永磁同步電動機從國家政策導(dǎo)向和市場需求方面都有其他電機不可替代的優(yōu)勢，市場前景非常廣闊。