能源緊張是影響我國國民經(jīng)濟發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題，也是全世界共同關(guān)心的問(wèn)題。而工業(yè)用電動(dòng)機消耗了大部分的能源，因此提高工業(yè)用電動(dòng)機的效率可以獲得顯著(zhù)的節能效果。根據IEC制定的超高效和超超高效電機效率標準，永磁電動(dòng)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(dòng)機自身特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設計可以達到IEC規定的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(dòng)機是我國發(fā)展高效電機的重要速徑。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)機；效率；瘩磁；節能
l 引言
能源緊張是影響我國國民經(jīng)濟發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題，也是全世界共同關(guān)心的闊題。節能是我國經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展的一項長(cháng)遠戰略方針，也是當前一項極為緊迫的任務(wù)。據國際電工委員會(huì )(IEC)統計，工業(yè)用電動(dòng)機消耗全世界發(fā)電量的30％－40％，改善整個(gè)驅動(dòng)系統(電動(dòng)機和調速傳動(dòng))和應用技術(shù)(或工藝技術(shù))的效率對節能關(guān)系重大，系統優(yōu)化總的節能潛力可達到30％～60％。據國際能源機構(IEA)2006年7月的工作報告，通過(guò)改善電動(dòng)機效率結合變頻調速可以節約大約7％的電能，其中大致有1／4～1／3是靠提高電動(dòng)機效率來(lái)獲得的，其余部分則來(lái)自系統的改進(jìn)。目前，美、歐、日、澳大利亞、巴西等國都紛紛制訂電動(dòng)機效率限值，并強制執行。
為協(xié)調各國能效分級標準，2006年IEC制定一項新的能效標準IEC60034－30。該標準將一般用途電動(dòng)機效率水平分為IEl(International Efficiency，簡(jiǎn)稱(chēng)IE)、IE2、IE3和IE4四級，其中IEl為標準效率，相當于我國目前生產(chǎn)的普通系列感應電動(dòng)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(gè)百分點(diǎn)，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(gè)百分點(diǎn)，損耗平均再降低15％左右，目前只有美國預計2010年達到IE3能耗水平，強制執行；IE4為超超高效率，損耗預計再下降20％左右，需要進(jìn)行全新的電機設計，建也新的體系結構(新的電機極數、速度范圍)，采用更高性能的材料。
眾所周知，永磁電動(dòng)機采用永磁體勵磁，不需要無(wú)功勵磁電流，所以顯著(zhù)提高功率因數，減小了定子電流和定子電阻損耗；而且在穩定運行時(shí)沒(méi)有轉子電阻損耗，進(jìn)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)和相應的風(fēng)摩耗，從而使其效率和功率因數比同規格感應電動(dòng)機高。兩且在輕載時(shí)仍可保持較高的效率和功率因數，使輕載運行時(shí)節能效果更為顯著(zhù)。因此，永磁電動(dòng)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)化設計，采用高性硅鋼片和先進(jìn)工藝，在降低一個(gè)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增加鐵心的情況下，部分規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(dòng)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(dòng)機的研發(fā)現狀
國內許多高校、研究所和企業(yè)針對不同應用場(chǎng)合，先后開(kāi)發(fā)出了多種高效、超高效超超高效異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機和變頻調速永磁同步電動(dòng)機產(chǎn)品?，F簡(jiǎn)要介紹幾種典型產(chǎn)品，需要說(shuō)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，只要調整設計和優(yōu)華，有可能達到所規定的標準。
2．1油田抽油機用高效高起動(dòng)轉矩永磁同步電動(dòng)機
目前，油田抽油機用感應電動(dòng)機普遍存在“大馬拉小車(chē)”現象，電能浪費嚴重。國內針對油田抽油機負載特性，在減小l～2個(gè)機座號的情況下開(kāi)發(fā)出高效高起動(dòng)轉矩永磁同步電動(dòng)機系列(圖1)，該系列電機不僅在額定負載時(shí)效率和功率因數高，并且在輕載(1／4額定負載)時(shí)仍具有用較高的效率和功率因數，在不同油田運行時(shí)節電率達20％以上，表5為其中兩種典型規格電機效率與感應電動(dòng)機和IE3標準對比。
2．2化纖紡織用高效高牽入轉矩永磁同步電動(dòng)機
化纖紡織用高效高牽入轉矩永磁同步電動(dòng)機屬于異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機?；w紡織用電機穩定運行時(shí)負載并不很大，但是其負載的轉動(dòng)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(dòng)機在起動(dòng)過(guò)程中不但要求有足夠的起動(dòng)轉矩，以克服負載轉矩使電機起動(dòng)并運行到接近同步轉速，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，這在設計上是相互制約的，而且永磁同步電機由于轉子上要安放永磁體，轉子槽不可能太深，使起動(dòng)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(gè)功率等級，使得電機在運行時(shí)也存在“大馬拉小車(chē)”現象，電能浪費嚴重。國內經(jīng)過(guò)多年研究，所開(kāi)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(見(jiàn)表6和表7)。綜合節電與普通感應電動(dòng)機比高到23％左右，與紡織專(zhuān)用電機比也在10％～15％左右，節電效果非常明顯。
2．3高效高過(guò)載能力永磁同步電動(dòng)機
高效高過(guò)載能力永磁同步電動(dòng)機主要是應用于風(fēng)機、泵類(lèi)負載。據電力部門(mén)估算，煤炭行業(yè)的風(fēng)機、水泵在20世紀五、六十年代的老設備約占1／3，其本身運行效率只有30％一40％，系統運行效率大約為20％。由此造成的能源浪費是巨大的。因此針對風(fēng)機、泵類(lèi)負載特點(diǎn)，國內在十五期間，通過(guò)對該類(lèi)電機的共性關(guān)鍵技術(shù)研究，解決了制約該類(lèi)電視的技術(shù)難題，所開(kāi)發(fā)的1lkW2極電機和18．5kW4極電機(見(jiàn)圖3)都達到了IE4標準規定的效率值(見(jiàn)表8)。
另一類(lèi)特殊用途的高效高過(guò)載能力永磁同步電動(dòng)機為屏蔽泵用永磁同步電動(dòng)機，該類(lèi)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(mén)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(yù)受腐蝕，必須在定轉子外面加密閉的屏蔽套，這就需要加大定轉子之間的氣隙。降低了電機的效率和功率因數，因此造成電能浪費嚴重。這種電機若改為永磁電機主要制約因素為：轉子細長(cháng)、轉子空間有限；永磁體高溫退磁問(wèn)題。國家稀土永磁電機工程技術(shù)研究中心通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，解決了關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，研制出5．5kW4極和370W2板兩種規格樣機(見(jiàn)圖4)，該電機與同規格感應電動(dòng)機相比數據如圖9所示。
2．4中型異步起動(dòng)高效稀土永磁同步電動(dòng)機
目前，中小異步起動(dòng)高效永磁同步電動(dòng)機主要用作驅動(dòng)“三機一泵”(風(fēng)機、壓縮機、冷凍機和水泵)，這類(lèi)負載要求高效率、高功率因數和高過(guò)載能力，同時(shí)要求運行穩定可靠。中大型永磁同步電動(dòng)機在效率掇舞技術(shù)上可以采用小型高效高過(guò)載能力永磁同步電動(dòng)機的技術(shù)措施，但制約中型高效稀土永磁同步電動(dòng)機研發(fā)的主要因素是工藝結構問(wèn)題。因為中小型電機轉子空間有限，在有限空間內既要放置足夠的永磁體來(lái)滿(mǎn)足所需的磁通，又要放置起動(dòng)籠來(lái)滿(mǎn)足異步起動(dòng)能力，同時(shí)還要開(kāi)一定面積的軸向通風(fēng)孔，保證電機的溫升滿(mǎn)足標準，因此會(huì )造成每個(gè)細節尺寸非常緊張，機械強度接近極限(如圖5所示)。目前該類(lèi)電機主要是在原有電機上進(jìn)行改造，通過(guò)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極幾種典型規格祥機，圖6為1120kW4極樣機照片。兩種電機性能指標與原感成電動(dòng)機相比如表10所示。節能效果明髭，以300kW為例，經(jīng)北京首鋼現場(chǎng)實(shí)測節電率為7。2％，一年可節電16．6萬(wàn)kW．h，如果是全新設計，效率還能提高。
2．5 中型變頻調速高效永磁同步電動(dòng)機
在風(fēng)機、泵類(lèi)負載，還可以通過(guò)變頻調速永磁電機來(lái)提高節電率和降低起動(dòng)電流。國家工程技術(shù)研究中心在十五期間，通過(guò)對變頻調速電機關(guān)鍵技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)出135kW、200kW和300kW三種規格變頻調速高效永磁同步電動(dòng)機，在現場(chǎng)運行實(shí)測節電率都在40％以上。圖7為300kW電機照片。
3永磁同步電動(dòng)機提高效率的關(guān)鍵技術(shù)
在總結國內許多高校、研究所和企業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種高效、超高效和超超高效異步起動(dòng)永磁電動(dòng)機和變頻調速永磁電動(dòng)機的經(jīng)驗教訓的基礎上，經(jīng)過(guò)研究分析認為，只要進(jìn)一步優(yōu)化設計，采用高性能材料和先進(jìn)工藝，可以開(kāi)發(fā)出符合IEC60034—30能效分級標準的兩個(gè)系列的高效永磁同步電動(dòng)機。
一是在比感應電動(dòng)機降低一個(gè)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(dòng)機的效率指標達到超高效，即IE3的效率標準，二是機座號不變或者適當加長(cháng)鐵心，使永磁同步電動(dòng)機的效率指標達到超超高效，即IE4的效率標準。兩者的功率因數都達到0．93以上。同時(shí)要在滿(mǎn)足起動(dòng)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電動(dòng)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(mǎn)率、用鑄銅轉子代替鑄鋁轉子，改進(jìn)風(fēng)扇設計和提高制造精度等：又要針對永磁同步電動(dòng)機的設計制造特點(diǎn)，對下列關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究攻關(guān)。國內對此已經(jīng)做了大量工作，取得了一砦突破性進(jìn)展，但尚須進(jìn)一步完善，進(jìn)而在傘行業(yè)推廣應用。
3．1 完善場(chǎng)路結合的電機設計計算程序和軟件包，提高計算精度
當前永磁同步電動(dòng)機的設計計算精度低于感應電動(dòng)機，因此需要修改完善永磁電機電磁場(chǎng)分析計算軟件，同時(shí)運用計算軟件，分析計算各種磁路結構的三維磁場(chǎng)，從中總結出端部效應的規律，對二維電磁場(chǎng)計算軟件進(jìn)行分析修正，既方便計算，又提高計算精度。
在總結已開(kāi)發(fā)樣機經(jīng)驗的基礎上，對原有以路為主的電磁計算軟件中的各項參數和系數進(jìn)行修正，并與電磁場(chǎng)計算軟件耦合起來(lái)形成場(chǎng)路結合的計算軟件。
完善適合永磁同步電動(dòng)機特點(diǎn)的機械計算、熱計算和振動(dòng)、噪聲分析計算軟件。
在總結、完善上述軟件的基礎上，充實(shí)數據庫，形成完整的軟件包，在全行業(yè)推廣應用，以提高全行業(yè)的研發(fā)水平。
3．2磁路結構及尺寸的優(yōu)化設計
超高效和超超高效永磁同步電動(dòng)機的轉子窄間有限，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(chǎng)波形，又要安放足夠的起動(dòng)籠在滿(mǎn)足所要求起動(dòng)轉矩(含堵轉轉矩、最小轉矩、牽入轉矩和失步轉矩)的前提下．減少堵轉電流，還要使轉子有足夠的強度和剛度，便于制造，需要對磁極結構、起動(dòng)籠槽型等進(jìn)行創(chuàng )新和優(yōu)化設計，在大量實(shí)踐的基礎上總結出設計準則。
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電機不同，需要對定子槽形進(jìn)行優(yōu)化設計，以降低總鐵耗。由于效率和功率因數都高于感應電機，其電磁負荷的合理分配和選擇以及風(fēng)扇設計也與感應電機不同，需要進(jìn)行熱計算和冷卻系統優(yōu)化設計，從而總結出優(yōu)化設計準則。
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(dòng)機沒(méi)有轉子銅(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電動(dòng)機大，因此重點(diǎn)應放在降低鐵耗和負載雜散損耗。
高效永磁同步電動(dòng)機的空載氣隙磁場(chǎng)中諧波含量比感應電機大，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(shí)氣隙磁密降低，使負載鐵耗比空載鐵耗小，需要通過(guò)大量計算和試驗以總結提出負載鐵耗的修正系數。
超超高效永磁同步電動(dòng)機的負載雜散損耗雖小于感應電機，但仍占總損耗的很大比例，要進(jìn)一步提高效率必須著(zhù)重減少負載雜散損耗，這就需要進(jìn)行大量電磁場(chǎng)計算，總結影響雜散損耗的影響因素，探索減少雜散損耗的設計技術(shù)和制造工藝措施。同時(shí)需要運用高精度的電量和轉矩測量?jì)x器對大量樣機進(jìn)行測試，總結歸納出負載雜散損耗的數值和影響規律。
3．5制造工藝技術(shù)研究
超高效永磁同步電動(dòng)機成本高的原因之一是制造工藝較復雜。除采用感應電動(dòng)機的先進(jìn)制造工藝外，還要進(jìn)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(kāi)發(fā)相應的工裝模具。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電動(dòng)機和電勵磁同步電動(dòng)機的試驗方法，難點(diǎn)在于：①鐵耗的測試和分離，在用損耗分析法測試效率時(shí)，在感應電動(dòng)機標準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(jìn)行試驗研究，總結出鐵耗測試方法及修正規律：②堵轉轉矩、堵轉電流、最小轉矩和牽入轉矩的測試，由于永磁體的存在，在做堵轉轉矩試驗時(shí)電機產(chǎn)生振動(dòng)，容易對電機造成機械破壞或測試儀表?yè)p壞：最小轉矩和牽入轉矩的測試要求也與普通電機不同；因此需對測試轉矩的不同方法進(jìn)行試驗驗證和分析研究，最終總結出永磁電機轉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定性的檢測方法。
4高效率電動(dòng)機節能潛力和經(jīng)濟效益
根據國內外調查，工業(yè)領(lǐng)域電動(dòng)機年平均運行時(shí)間約在3000h左右，但在石油、化工、造紙、冶金、電力等行業(yè)，電動(dòng)機年運行時(shí)間往往超過(guò)6000h，對于這些運行時(shí)間長(cháng)的場(chǎng)合，如采用高效、超高效甚至超超高效永磁電動(dòng)機將會(huì )對能源節約帶來(lái)更顯著(zhù)的效果。
據統計，2006和2007年全國共生產(chǎn)各種電動(dòng)機2．5億kW，其中中小型電動(dòng)機年產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的70％～80％。中小型電動(dòng)機耗電量占總發(fā)電量的50％，加上大型電動(dòng)機和微電機，耗電量達60％，是電力生產(chǎn)部門(mén)最大的用戶(hù)。如果效率平均提高一個(gè)百分點(diǎn)，則將會(huì )節約電能1833萬(wàn)kw，按工業(yè)用電0．6元k/w．h計算，則可節約電費1100萬(wàn)元左右，同時(shí)還可以減少663萬(wàn)kg炭排量。根據《京都議定書(shū)》，每噸炭排量可以銷(xiāo)售到15～18美元，中國和聯(lián)合國正在北京籌建炭交易中心，預計2012年，中國炭排量定額占41％，也就是說(shuō)超過(guò)41％，要花錢(qián)買(mǎi)炭排量，低于41％，可以賣(mài)出。因此高效永磁同步電動(dòng)機從國家政策導向和市場(chǎng)需求方面都有其他電機不可替代的優(yōu)勢，市場(chǎng)前景非常廣闊。