高效電機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)和系統(tǒng)節(jié)能發(fā)展趨勢
電機(jī)作為推動國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要耗能設(shè)備，效率高低直接影響能源的利用率。提高電機(jī)效率對“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起著舉足輕重的作用。國家出臺政策，淘汰效率相對較低的YE2系列電機(jī)，強(qiáng)行推進(jìn)更高效率YE3和YE4系列電機(jī)的推廣和應(yīng)用，超高效，超超高效電機(jī)成為工業(yè)電機(jī)應(yīng)用的主流產(chǎn)品，YE5系列特高效電機(jī)開發(fā)推廣。IE2-IE5及能效擴(kuò)展IE6-IE8不同能效等級電機(jī)的能效曲線圖如圖1所示。GB18163-2020《電動機(jī)能效限定值及能效等級》規(guī)定自2021年6月1日起，我國生產(chǎn)的電機(jī)最低能效等級為IE3，禁止生產(chǎn)使用IE2及以下能效等級的電機(jī)。
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高效電機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)
高效電機(jī)的效率高，損耗相對較少，使用過程中可以達(dá)到節(jié)能降耗目的。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)電磁方案，采用先進(jìn)的制造工藝，使用優(yōu)質(zhì)電工導(dǎo)磁材料和絕緣材料等措施來提高電機(jī)的效率等級。
高效電機(jī)在設(shè)計(jì)方面采用準(zhǔn)正弦繞組，減少諧波損耗；使用Ansys Maxwell電磁設(shè)計(jì)程序進(jìn)行電磁場仿真設(shè)計(jì)，保證電磁結(jié)構(gòu)合理；利用有限元軟件進(jìn)行電機(jī)流體場分析，確保電機(jī)在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)過程中溫升合格。高效電機(jī)的加工制造工藝，為保證關(guān)鍵零部件的形狀和位置公差在合格范圍內(nèi)，機(jī)械加工采用臥式加工中心，進(jìn)行柔性化生產(chǎn)制造；機(jī)加工設(shè)備進(jìn)行兩次裝夾，完成機(jī)座所有尺寸的加工；端蓋，軸承套的加工采用組合單元，部件一次裝夾，完成端蓋，軸承套的粗車或精車工序，在提升效率的基礎(chǔ)上，確保加工質(zhì)量及形位公差合格。
高效電機(jī)在材料選用方面有較大提升。為降低鐵耗，定、轉(zhuǎn)子鐵芯采用無取向冷軋硅鋼片；對于高端產(chǎn)品，硅鋼片利用粘貼技術(shù)，進(jìn)一步降低損耗。由于我國稀土礦產(chǎn)豐富，隨著稀土永磁材料的開發(fā)和利用，永磁高效電機(jī)發(fā)展迅速。絕緣材料選擇方面，重點(diǎn)提高主要絕緣材料的綜合性能，提升絕緣材料的電氣強(qiáng)度，研發(fā)高導(dǎo)熱系數(shù)的絕緣材料，降低電機(jī)溫升，提高電機(jī)運(yùn)行效率。繞組槽內(nèi)線圈固定采用磁性槽楔，有效降低鐵芯齒部諧波產(chǎn)生的空載附加損耗和電磁脈振損耗，減少勵磁電流，改善功率因數(shù)，提升電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率。
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2 高效電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的發(fā)展趨勢
高效節(jié)能是全球電機(jī)制造業(yè)總體發(fā)展趨勢。近幾年，政府大力提倡并推進(jìn)新舊動能轉(zhuǎn)化，提出綠色發(fā)展，節(jié)能減排的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)，其中，工業(yè)節(jié)能被確定為國家節(jié)能減排重點(diǎn)。電機(jī)作為各行業(yè)應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)電氣設(shè)備，是工業(yè)能源轉(zhuǎn)化的重要載體，電機(jī)運(yùn)行效率提升是工業(yè)節(jié)能的重點(diǎn)。隨著裝備制造業(yè)技術(shù)水平提高，電機(jī)零部件的生產(chǎn)加工不斷吸收消化國外先進(jìn)的工藝制造技術(shù)，企業(yè)技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)與科研院所和高?？蒲性合祵?，研發(fā)出適合國產(chǎn)電機(jī)制造的先進(jìn)工藝和智能制造技術(shù)，定子自動嵌線和自動壓裝機(jī)，以及自動噴涂設(shè)備的推廣應(yīng)用，標(biāo)志著電機(jī)生產(chǎn)制造技術(shù)日趨成熟。針對全球電機(jī)，電氣定制化的發(fā)展格局，積極進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)備改造，適應(yīng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)向高效性，高可靠性，輕量、小型、直驅(qū)化，智能化控制方向發(fā)展的總體目標(biāo)。
2.1高效性是電機(jī)本體節(jié)能的必然要求
高效性，以目前市場現(xiàn)狀，全國電動機(jī)效能每提高一個(gè)百分點(diǎn)，每年可以節(jié)約280多億千瓦電能，如果電機(jī)系統(tǒng)效率提高3%-5%，每年節(jié)約的電量相當(dāng)于三峽水庫的年發(fā)電量。由于電機(jī)節(jié)能的潛力巨大，所以電機(jī)高效性將一直是電機(jī)制造技術(shù)提升的發(fā)展方向。以5.5KW，同步轉(zhuǎn)速1500r/min的三相異步電動機(jī)為例，YE3，YE4，YE5對應(yīng)的最低效率標(biāo)準(zhǔn)限值分別為89.2%，90.9%，93.4%，分別對應(yīng)GB18163-2020《電動機(jī)能效限定值及能效等級》國家標(biāo)準(zhǔn)的三級能效，二級能效和一級能效。2021年6月，國家出臺強(qiáng)制性政策，最低生產(chǎn)三級能效YE3系列電機(jī)，鼓勵生產(chǎn)二級能效YE4系列和一級能效YE5系列電機(jī)。電機(jī)類耗能產(chǎn)品一直向著更高效率發(fā)展，是國家節(jié)能減排落實(shí)的必然要求，也是“碳中和”與“碳達(dá)峰”目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)的重要途徑。
2.2高可靠性是電機(jī)使用需要考慮的首要因素
高可靠性是用戶選擇電機(jī)需要考慮的首要因素。特別是軌道交通類，風(fēng)電類，海洋和航空等特種設(shè)備用電機(jī)，由于維護(hù)檢修的成本高，要求電機(jī)適應(yīng)惡劣環(huán)境工況的適應(yīng)性更強(qiáng)，運(yùn)行壽命更長。例如軌道交通類電機(jī)，電機(jī)的可靠性直接關(guān)系到廣大人民的生命安全，設(shè)計(jì)過程中需充分利用高可靠性絕緣工藝技術(shù)，結(jié)構(gòu)件的防振防松技術(shù)，軸承結(jié)構(gòu)及防蠕動技術(shù)，機(jī)械密封防塵防護(hù)技術(shù)等現(xiàn)代前沿技術(shù)措施，提高電機(jī)在惡劣環(huán)境下的適宜性，保證持續(xù)正常運(yùn)行。電機(jī)壽命長短與繞組溫升有直接關(guān)系，提高電機(jī)效率，可有效降低定子線圈溫升，提高電機(jī)的使用運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性，從而延長電機(jī)使用壽命。
2.3輕量、小型、直驅(qū)化是電機(jī)節(jié)材降耗的有效途徑
輕量、小型化的定制設(shè)計(jì)制造。電機(jī)的輕量、小型化可有效節(jié)約材料，節(jié)省空間。設(shè)計(jì)過程中，通過采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)和優(yōu)質(zhì)低耗的原材料，優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)重組優(yōu)化，在有效材料用量不變的條件下，提高單位功率材料利用率。另外，在一些特殊領(lǐng)域，如航空航天產(chǎn)品，電動車輛、數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)、視聽產(chǎn)品、醫(yī)療器械、便攜式光、機(jī)、電一體化產(chǎn)品，對電機(jī)提出體積小、重量輕的要求。國內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)和電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)為實(shí)現(xiàn)電機(jī)小型化，積極合作研究，開發(fā)出鑄銅轉(zhuǎn)子電機(jī)解決方案。為充分利用銅的特點(diǎn)，發(fā)揮鑄銅轉(zhuǎn)子電動機(jī)的研發(fā)優(yōu)勢，對現(xiàn)有機(jī)座號電動機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可縮小一到兩個(gè)機(jī)座號，采用定制化設(shè)計(jì)制造，在保證電氣性能的同時(shí)，達(dá)到體積縮小、重量減輕、成本降低、提升效率的目的。
電機(jī)直驅(qū)化，利用電機(jī)直接驅(qū)動工作系統(tǒng)，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備更高的動態(tài)機(jī)械性能、精度、以及成本效益。由于簡化了機(jī)械傳動部件—減速器或皮帶，電機(jī)直接驅(qū)動設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，可顯著提高設(shè)備總體效率和智能化控制水平，降低驅(qū)動系統(tǒng)的總體耗能成本。
2.4智能化控制系統(tǒng)是電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能和智能制造的重要發(fā)展途徑
電機(jī)智能化控制系統(tǒng)是隨著工業(yè)驅(qū)動控制領(lǐng)域與大數(shù)據(jù)平臺發(fā)展融合，開發(fā)出的新型電機(jī)控制系統(tǒng)—智能化電機(jī)與控制一體化系統(tǒng)。智能化控制系統(tǒng)集成電機(jī)的運(yùn)行、診斷、保護(hù)、控制、通訊等功能于一體，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的自我診斷、自我保護(hù)、自我調(diào)速、遠(yuǎn)程控制等功能；大數(shù)據(jù)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)故障和壽命的提前預(yù)測，對電機(jī)能效進(jìn)行自適應(yīng)管理，從而達(dá)到高效節(jié)能和智能制造控制技術(shù)雙重發(fā)展。隨著我國裝備制造業(yè)向高、精、尖方向發(fā)展及工業(yè)化、信息化兩化融合，智能化電機(jī)與控制系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，將成為電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能和智能制造的重要發(fā)展途徑。
3. 結(jié)論
隨著低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展和信息化技術(shù)的提高，國家相應(yīng)節(jié)能減排措施加快推進(jìn)落實(shí)，通用異步電機(jī)永磁化，低速異步電機(jī)直驅(qū)化，高速電機(jī)永磁化，電機(jī)動力控制一體化，已成為電機(jī)制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。在使用高效電機(jī)的同時(shí)，如何使運(yùn)行設(shè)備總體效率提升，提高資源利用率，是電機(jī)制造和智能控制系統(tǒng)進(jìn)行效率提升需要解決的關(guān)鍵問題。電機(jī)系統(tǒng)總體效率的提升，應(yīng)從電機(jī)選擇和設(shè)備功率匹配和智能化控制入手，綜合考慮各種損耗要素，采用先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和優(yōu)質(zhì)零部件的選擇，減少中間傳動環(huán)節(jié)不必要的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的總體效率最大化。