(重慶賽力盟電機有限責任公司，重慶 401329)

國際電工委員會(IEC)發(fā)布的IEC 60034—30“單速、三相籠型感應電動機的能效分級”標準，統(tǒng)一將電動機能效標準分為IE1、IE2、IE3、IE4 4個等級，其中IE1為標準效率，IE2為高效率、IE3為超高效，IE4為目前已正式發(fā)布的全球最高的效率等級，行業(yè)中習慣稱之為超超高效率。IE4比國內(nèi)普通使用的IE2電機效率平均提高約5%。YE4系列電機是中國自主研發(fā)的等同于IE4系列的超高效三相異步電動機。

參考IEC 60034標準，我國也相應制定了新的國家標準《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》(GB 18613—2012)，并從2012年9月1日起已正式開始實施。GB 18613—2012將效率等級分為三級，其效率等級與IEC 60034—30的對應關(guān)系如表1所示。

表1 GB 18613—2012與IEC 60034—30對應關(guān)系 %

新標準的發(fā)布，由于其功率范圍的擴大、規(guī)格的增多，同時在小功率范圍段效率提高較多，而大功率范圍段效率原本就已經(jīng)比較高，效率又再進一步提高，這些因素都增加了研發(fā)的難度。IEC 60034—30—1標準按功率分段統(tǒng)計的平均效率的提高幅度對比情況如表2所示。

表2 IEC 60034—30—1標準按功率分段統(tǒng)計的平均效率的提高幅度對比

目前國際上僅有SIMENSE、ABB、WEG等少數(shù)知名企業(yè)開發(fā)了IE4效率等級三相異步電動機部分功率段產(chǎn)品。這表明，IE4效率等級電機的開發(fā)，在世界范圍內(nèi)都具有相當高的難度。

中小型電機是世界上使用最為廣泛的動力輸出源設(shè)備，也是電能消耗最大的設(shè)備群。據(jù)統(tǒng)計，我國電動機電能消耗已占總耗電量的64%以上，工業(yè)總耗電量的75%以上，是最大的耗電終端設(shè)備。因此，世界上許多國家對電動機系統(tǒng)的節(jié)能均給予了高度重視。電機系統(tǒng)節(jié)能工程是我國“十一五”期間的十大節(jié)能工程之一，也是我國近期實施節(jié)能減排既定國策的重點關(guān)注領(lǐng)域。自2010年起，高效電機產(chǎn)品列入我國“節(jié)能產(chǎn)品 惠民工程”補貼范圍。2014年12月國家發(fā)改委等7部委聯(lián)合印發(fā)了能效“領(lǐng)跑者”制度實施方案，提出將能效領(lǐng)跑者指標納入強制性國家標準，鼓勵家庭和工業(yè)用戶購買高效節(jié)能產(chǎn)品和設(shè)備，要求其市場占有率達45%以上。YE4超高效三相異步電動機被列入“領(lǐng)跑者”隊伍，并納入“能效之星”的評選產(chǎn)品范圍。

1 YE4系列關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 有限元分析與優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究

以YE4效率指標為系列優(yōu)化設(shè)計目標，確定定轉(zhuǎn)子三圓尺寸、定轉(zhuǎn)子槽型尺寸、繞組參數(shù)含硅鋼片牌號等為約束條件，開展YE4效率等級的系列產(chǎn)品設(shè)計。通過對設(shè)計技術(shù)和關(guān)鍵工藝的研究，借助有限元軟件對電機電磁場、流體場、溫度場等進行分析[1]，確定了系列化設(shè)計的電磁方案、通風散熱方案和主體結(jié)構(gòu)方案。

1.2 低損耗繞組技術(shù)研究

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，H132-355小型三相異步電動機定子繞組銅線材料成本和損耗占比均約為30%。由此可見，合理的繞組設(shè)計不但可以降低電機制造成本，而且可以大幅減低電機損耗，提高電機效率，達到環(huán)保節(jié)能的目的。采用正弦繞組和單雙層同心式繞組對降低電機損耗有良好效果[2-3]，尤其是采用不等匝同心式繞組對降低電機損耗和提高電機效率效果更佳。樣機試驗結(jié)果表明，與普通繞組相比，采用不等匝繞組可以有效降低雜散損耗，同時啟動電流也在可控范圍之內(nèi)。

1.3 降低轉(zhuǎn)子損耗技術(shù)研究

在工程設(shè)計中，降低轉(zhuǎn)子損耗雖然有諸多方法，但效果往往差強人意，原因有三點：其一，轉(zhuǎn)子槽型與轉(zhuǎn)子的很多力能指標相關(guān)、相互制約；其二，轉(zhuǎn)子屬旋轉(zhuǎn)部件，受機械強度約束，轉(zhuǎn)子制造工藝對設(shè)計要求滿足度較定子低；其三，轉(zhuǎn)子通常內(nèi)置，參數(shù)不易監(jiān)控，散熱條件差，轉(zhuǎn)子慢發(fā)熱現(xiàn)象不易覺察。

采用轉(zhuǎn)子閉口槽對比試驗研究：三相異步電動機由于定、轉(zhuǎn)子齒槽的存在，旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生脈振損耗。轉(zhuǎn)子采用閉口槽，可削弱氣隙諧波磁場的脈動[2-3]，降低諧波磁場的損耗，提高電機效率。采用轉(zhuǎn)子閉口槽，在降低電機雜散損耗和鐵耗的同時，會增加轉(zhuǎn)子漏抗，造成功率因數(shù)、啟動轉(zhuǎn)矩和啟動電流的變化。同時閉口槽轉(zhuǎn)子鑄鋁時容易導致轉(zhuǎn)子導條夾雜氣孔，形成細條、斷條等質(zhì)量缺陷。閉口槽橋拱的高度過小，機械強度差，加工困難。表3所示為YE4-225M-2 45 kW閉口槽試驗數(shù)據(jù)。

表3 YE4-225M-2 45 kW閉口槽試驗數(shù)據(jù)(聯(lián)合開發(fā))

參數(shù)樣機1樣機2樣機3樣機4槽型半閉口槽閉口槽(Hr0=0.2)H/%93.1893.1593.3093.07COSFI0.9000.9040.9020.902Tst/Tn2.683.012.812.20Ist/In8.568.738.818.27

鑄鋁轉(zhuǎn)子和鑄銅轉(zhuǎn)子對比試驗：毋庸置疑，采用鑄銅轉(zhuǎn)子是提高電機功率密度、減小體積的最有效途徑之一，這在特種電機行業(yè)(如新能源汽車電機)得到了廣泛應用。就一般工業(yè)電機而言，聯(lián)合開發(fā)對比試驗結(jié)果表明，YE4-132S-4 5.5 kW電機分別采用鑄鋁轉(zhuǎn)子(大直徑)和鑄銅轉(zhuǎn)子(小直徑)設(shè)計，在不考慮有效體積(D2L)的前提下，二者效率指標相當，但鑄銅轉(zhuǎn)子電機制造成本高10%左右。

鑄鋁轉(zhuǎn)子槽絕緣和脫殼工藝研究：鑄鋁轉(zhuǎn)子電機由于導條和鐵芯之間無絕緣，容易產(chǎn)生橫向泄漏電流，增加雜散損耗[1]。通常采用鐵芯涂覆耐熱絕緣材料或磷化處理、轉(zhuǎn)子沖片回火增加氧化膜級脫殼處理工藝等方式增加絕緣電阻。

1.4 工業(yè)3D打印技術(shù)在YE4電機開發(fā)中的應用

工業(yè)3D打印開啟了全新的設(shè)計體驗。在新品開發(fā)過程中，可應用3D打印電機部分結(jié)構(gòu)件，快速準確出件，大大降低了設(shè)計開發(fā)成本，縮短設(shè)計開發(fā)周期。三維軟件建模3D打印的風扇最高精度滿足電機風路的設(shè)計要求，為電機通風散熱研究提供了最強有力的支撐。

2 YE4系列社會經(jīng)濟效益分析

YE4系列產(chǎn)品設(shè)計主要材料用量成本對比情況見表4。

表4 YE4系列產(chǎn)品設(shè)計主要材料用量的成本對比情況

式中：ΔW為節(jié)電量；η0為普通效率電機，%；η1為超高效率電機，%；PN為額定功率，kW；H為運行時間，h；Kfz為負載持續(xù)率。

若電動機以平均負載率為70%、運行時間3 000 h、平均電費0.8元/kW·h。YE4系列換代投資成本回收周期約為2.3年。

3 結(jié)論

1)經(jīng)過多個規(guī)格樣機試制，YE4系列各項性能指標達到或優(yōu)于國家標準和IEC標準。

2)YE4系列成功開發(fā)不僅有利于進一步推動中小型電機行業(yè)的技術(shù)進步，趕超國際先進水平，同時有利于節(jié)約能源、改善環(huán)境，有利于國家節(jié)能減排目標的實現(xiàn)。

3)下一步需要進一步降低產(chǎn)品成本、降低工藝制造難度。