姚 磊 張傳甲 程 磊 刁興為 柳也東

（威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

小功率電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于電風(fēng)扇、電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)器、電吹風(fēng)、吸塵器、油煙機(jī)、洗碗機(jī)、電動(dòng)縫紉機(jī)、食品加工機(jī)等家用電器及各種電動(dòng)工具、小型機(jī)電設(shè)備中，功率分布從幾瓦到幾百瓦不等。在“十一五”發(fā)展規(guī)劃中提出大力發(fā)展節(jié)約型經(jīng)濟(jì)，我國(guó)于2005年3月正式推出能效標(biāo)識(shí)制度，家電是應(yīng)用最廣的產(chǎn)品，目前空氣調(diào)節(jié)器、電冰箱、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、吸排油煙機(jī)家電產(chǎn)品均已納入能效標(biāo)識(shí)管理目錄。但是針對(duì)應(yīng)用廣泛的各類(lèi)小功率電動(dòng)機(jī)并沒(méi)有單獨(dú)納入能效標(biāo)識(shí)管理，因此家用電器在選擇的電動(dòng)機(jī)是否在電機(jī)最高效率點(diǎn)工作，并沒(méi)有特別要求，小馬拉大車(chē)或者大馬拉小車(chē)顯現(xiàn)非常常見(jiàn)。

1 帶實(shí)際負(fù)載運(yùn)行的小功率電動(dòng)機(jī)效率問(wèn)題

1）效率計(jì)算方法

小功率電動(dòng)機(jī)目前實(shí)施的效率等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 25958-2010《小功率電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》，國(guó)外能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為IEC 60034-30-1:2014《Rotating electrical machines-Part30-1:Efficiency classes of operated AC motors(IE code)》，對(duì)應(yīng)測(cè)試方法分別為GB/T 9651-2008 《單相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》和IEC 60034-2-1:2014《Rotating electrical machines - Part 2-1: Standard methods for determining losses and efficiency from tests(excluding machines for traction vehicles)》，效率采用直接法（A法）進(jìn)行計(jì)算，在額定輸出功率下測(cè)得。計(jì)算公式如下：

其中：

η效率（100 %）

P輸出功率（W）

P0輸入功率（W）

電動(dòng)機(jī)輸出功率（P）與輸出轉(zhuǎn)矩（T）、轉(zhuǎn)速（n）對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

T=9 550* P/ n

由此也得出換型公式：

式中：

T—轉(zhuǎn)矩，單位為（N.m）；

P—功率，單位為（kW）；

n—轉(zhuǎn)速，單位為（r/min)；

其中9 550是常數(shù)（計(jì)算系數(shù)）。

2）大馬拉小車(chē)，運(yùn)行效率低下

實(shí)測(cè)一臺(tái)參數(shù)為220 V 50 Hz 20 W 6 P的空調(diào)用電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)，特性曲線如圖1所示，該電機(jī)同步轉(zhuǎn)速1 000 r/min，根據(jù)特性曲線圖1和曲線特征點(diǎn)表1所示，該電機(jī)最高效率點(diǎn)效率40.1 %，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為787 r/min，額定功率效率點(diǎn)效率33.0 %，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為890 r/min?？梢钥闯鲈撾姍C(jī)銘牌上明示的工作點(diǎn)并不是電機(jī)最大效率點(diǎn)，電機(jī)的輸出能力沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)，存在大馬拉小車(chē)、工作效率低的情況。

圖1 20 W電機(jī)工作特性曲線

表1 20 W電機(jī)工作特性點(diǎn)

3）小馬拉大車(chē)，運(yùn)行效率低下

實(shí)測(cè)一臺(tái)電機(jī)參數(shù)為230 V 50 Hz 22 W 6 P的吸排油煙機(jī)用電動(dòng)機(jī)，特性曲線如圖2所示，該電機(jī)同步轉(zhuǎn)速1 000 r/min，根據(jù)特性曲線圖2和曲線特征點(diǎn)表2所示，該電機(jī)最高效率點(diǎn)效率42.2 %，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為872 r/min，額定功率效率點(diǎn)效率39.7 %，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為908 r/min?？梢钥闯鲈撾姍C(jī)銘牌上明示的工作點(diǎn)并不是電機(jī)最大效率點(diǎn)，電機(jī)的工作在過(guò)載狀態(tài)下，存在小馬拉大車(chē)、工作效率低的情況。

以上兩個(gè)實(shí)測(cè)案例可以看出，家電作為整機(jī)產(chǎn)品在選用電機(jī)時(shí)，有時(shí)并沒(méi)有考慮電機(jī)工作的最優(yōu)狀態(tài)，即電機(jī)運(yùn)行的最高效率點(diǎn)，而按照小功率電機(jī)能效限定值標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，電動(dòng)機(jī)按照實(shí)際的額定輸出功率負(fù)載下進(jìn)行測(cè)試，所以在根據(jù)電動(dòng)機(jī)銘牌明示的額定輸出狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)際額定狀態(tài)下所測(cè)得的效率往往達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)限值要求。也存在電機(jī)本身滿足小功率電機(jī)能效限定值指標(biāo)，而實(shí)際應(yīng)用不能滿足能耗要求的情況，并且問(wèn)題比較突出。

圖2 22 W電機(jī)工作特性曲線

表2 22 W電機(jī)工作特性點(diǎn)

2 帶實(shí)際負(fù)載運(yùn)行電動(dòng)機(jī)功率選擇與不同功率點(diǎn)下的效率測(cè)試方法

應(yīng)當(dāng)充分考慮電動(dòng)機(jī)的工作特性，根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況來(lái)選擇電機(jī)功率，使得電機(jī)盡可能工作在最優(yōu)效率，既不要小馬拉大車(chē)，也不要大馬拉小車(chē)，如果電機(jī)功率選擇與整機(jī)家電產(chǎn)品不匹配會(huì)帶來(lái)如下問(wèn)題：

1）“大馬拉小車(chē)”，電動(dòng)機(jī)功率大于整機(jī)需求功率，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在輕負(fù)載狀態(tài)下，輸出能力不能得到有效利用，電機(jī)不能運(yùn)行在最高效率區(qū)，造成電能損耗。

2）“小馬拉大車(chē)”，電動(dòng)機(jī)功率小于整機(jī)需求功率，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在過(guò)負(fù)荷狀態(tài)，往往伴隨著溫升過(guò)高，降低絕緣性能，一方面影響輸出性能，另一方面帶來(lái)安全隱患。

3）上述兩種情況往往伴隨著電動(dòng)機(jī)額定工作點(diǎn)效率值低于能效限定值要求。

做好電動(dòng)機(jī)功率和整機(jī)的匹配，是電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行的前提，對(duì)于工作制S1的恒定輸出電動(dòng)機(jī)，整機(jī)輸入功率和電動(dòng)機(jī)輸出功率可以按照如下確定：

式中：

η1為傳動(dòng)裝置的效率；

η2為電動(dòng)機(jī)本體效率；

P1為整機(jī)家電輸入功率；

P電動(dòng)機(jī)軸端輸出功率。

由上式可以看出，整機(jī)輸出功率需要考慮電動(dòng)機(jī)本體運(yùn)行效率和機(jī)械傳動(dòng)裝置的效率，對(duì)于沒(méi)有外部傳動(dòng)裝置的電機(jī)η1取值1。根據(jù)整機(jī)功率算得到的功率P充分考慮了電動(dòng)機(jī)自身的效率和外部傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)效率，保證了電機(jī)功率有一定的余量，也可以最優(yōu)滿足電器對(duì)電機(jī)功率的匹配，因此計(jì)算法可以相對(duì)精確的做到電機(jī)與整機(jī)的功率上的匹配匹配，運(yùn)行效率相對(duì)較高。

此外，電動(dòng)機(jī)在特定工作狀態(tài)下的運(yùn)行效率需要測(cè)試得出，來(lái)驗(yàn)證整機(jī)功率、電動(dòng)機(jī)功率、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率之間的匹配情況，保證電機(jī)銘牌上的額定數(shù)據(jù)與實(shí)際狀態(tài)保持一致。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室中數(shù)據(jù)分析和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可得，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在實(shí)際負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行，測(cè)得電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流低于銘牌明示額定電流的30 %，認(rèn)為電動(dòng)機(jī)的功率比整機(jī)功率需求過(guò)大，存在上文所述的“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在實(shí)際負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行，測(cè)得的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流高于銘牌明示額定電流的40 %，認(rèn)為電動(dòng)機(jī)的功率比整機(jī)功率需求過(guò)小，存在上文所述的“小馬拉大車(chē)”現(xiàn)象。因此，在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)效率測(cè)試時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況考慮70 %額定負(fù)載、100 %額定負(fù)載、140 %額定負(fù)載三個(gè)工作點(diǎn)的效率值。

3 帶實(shí)際負(fù)載運(yùn)行電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速下的效率測(cè)試方法

電動(dòng)機(jī)本身確定了額定運(yùn)行參數(shù)后，輸出功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩是相互匹配，保證了電機(jī)可以在一個(gè)相對(duì)高效的區(qū)域輸出。但實(shí)際上，家電的種類(lèi)多種多樣，導(dǎo)致了電機(jī)所帶負(fù)載的形式也多種多樣，比如風(fēng)扇類(lèi)電機(jī)的扇葉負(fù)載、空調(diào)器電機(jī)的風(fēng)輪負(fù)載、攪拌器的食物負(fù)載、水泵電機(jī)的水負(fù)載、洗衣機(jī)的洗滌物負(fù)載等，電動(dòng)機(jī)在帶實(shí)際負(fù)載運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行參數(shù)會(huì)與在測(cè)功機(jī)上測(cè)定的運(yùn)行參數(shù)有差別。比如轉(zhuǎn)速的差別，相同的輸出功率下，電動(dòng)機(jī)標(biāo)定的額定轉(zhuǎn)速與帶實(shí)際負(fù)載會(huì)有一定的差別，如果只是額定轉(zhuǎn)速時(shí)測(cè)定電機(jī)運(yùn)行效率，此時(shí)并不能真是的反應(yīng)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率，因此當(dāng)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速與額定標(biāo)稱(chēng)轉(zhuǎn)速相差較大時(shí)，需要測(cè)試實(shí)際工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速，來(lái)作為電動(dòng)機(jī)效率測(cè)試的運(yùn)行參數(shù)。

另外，家用電器上的電機(jī)往往會(huì)存在多檔位情況，每個(gè)檔位會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出參數(shù)，而目前電機(jī)往往只是在銘牌上標(biāo)識(shí)最高功率對(duì)應(yīng)的參數(shù)，低檔位參數(shù)并沒(méi)有標(biāo)記，電機(jī)的效率指標(biāo)也是按照最高功率來(lái)考核。低檔位狀態(tài)下的電機(jī)可能運(yùn)行在低效率運(yùn)行區(qū)域，從節(jié)約能源的角度來(lái)考慮，電動(dòng)機(jī)每一個(gè)檔位都應(yīng)該滿足小功率電機(jī)能效指標(biāo)。因?yàn)槟壳半姍C(jī)的銘牌也沒(méi)有強(qiáng)制在銘牌上標(biāo)記所有檔位的運(yùn)行參數(shù)，所以該觀點(diǎn)只作為探討性研究問(wèn)題提出。

4 結(jié)論

因此，當(dāng)電動(dòng)機(jī)銘牌參數(shù)與電機(jī)實(shí)際的工作能力相差較大的情況下，在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)效率測(cè)試時(shí)，應(yīng)當(dāng)測(cè)試電機(jī)在70 %額定負(fù)載、100 %額定負(fù)載、140 %額定負(fù)載三個(gè)工作點(diǎn)的效率值，全面考核電動(dòng)機(jī)在不同輸出狀態(tài)下的效率值，充分考慮到電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中由于選型不合理可能存在的過(guò)載和輕載的情況。這種效率測(cè)試方法可以有效的促使整機(jī)產(chǎn)品在對(duì)電機(jī)選型時(shí)，盡量按照電機(jī)實(shí)際的輸出能力來(lái)匹配整機(jī)產(chǎn)品，從來(lái)減少電機(jī)效率低帶來(lái)的電能損耗，也能夠減少由于過(guò)載帶來(lái)的電機(jī)過(guò)熱安全隱患等一系列問(wèn)題。

同時(shí)，對(duì)于實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速與標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)速不一致的電動(dòng)機(jī)以及多檔位電動(dòng)機(jī)，需要考慮工作參數(shù)差異下的效率指標(biāo)滿足性。