高效電機(jī)的5種技術(shù)路線

（文/程文智）2021年6月1日起，我國(guó)正式實(shí)施的最新電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)《GB18613-2020電動(dòng)機(jī)能效限定及能效等級(jí)》，該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后，三相異步電機(jī)能效限定值達(dá)不到IE3的電機(jī)，就不能再生產(chǎn)、銷售和采購(gòu)了。

去年年底，工業(yè)和信息化部、市場(chǎng)監(jiān)督管理總局聯(lián)合印發(fā)《電機(jī)能效提升計(jì)劃（2021-2023年）》。在文件中特別強(qiáng)調(diào)，到2023年，高效節(jié)能電機(jī)年產(chǎn)量要達(dá)到1.7億千瓦，在役高效節(jié)能電機(jī)占比達(dá)到20%以上，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電量490億千瓦時(shí)，相當(dāng)于年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1500萬噸，減排二氧化碳2800萬噸。

因此，電機(jī)企業(yè)要從技術(shù)、裝備、工藝、材料和銷售等各方面做好充分的準(zhǔn)備。

那么，高效電機(jī)有哪些技術(shù)路線可供選擇呢？就目前來看，主要有五種技術(shù)路線：

三相異步電動(dòng)機(jī)

一是三相異步電動(dòng)機(jī)。它是工業(yè)用的電動(dòng)機(jī)械，其功率范圍從幾瓦到上萬千瓦，具有廣泛的應(yīng)用范圍。主要用于風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、機(jī)床、輕工及礦山機(jī)械、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的脫粒機(jī)和粉碎機(jī)、農(nóng)副產(chǎn)品中的加工機(jī)械等等。

圖：YE4系列三相異步電動(dòng)機(jī)（來源：華力集團(tuán)官網(wǎng)）

它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行效率較高，轉(zhuǎn)子為鑄鋁，設(shè)計(jì)難度小、產(chǎn)業(yè)鏈成熟，以及規(guī)格齊全等等。
缺點(diǎn)是功率因素較差，總是小于1；目前尚不能經(jīng)濟(jì)地在較大范圍內(nèi)平滑調(diào)速。

因此，三相異步電動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)應(yīng)用是在定速的場(chǎng)合，不過現(xiàn)在越來越多的三相異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用是配合變頻器（VFD），或者是變速驅(qū)動(dòng)器來使用。變頻器可以配合頻率調(diào)整輸出電壓，若是應(yīng)用在離心型風(fēng)扇、泵，或是壓縮機(jī)上，配合感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可以達(dá)到節(jié)能的效果。

目前高能效IE4以上的三相異步電動(dòng)機(jī)由YE4，和YE5系列等等。也就是說需要發(fā)展YE4和YE5系列三相異步電動(dòng)機(jī)。

鑄銅轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)

二是鑄銅轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)。它其實(shí)也是屬于三相異步電動(dòng)機(jī)的一種，只是轉(zhuǎn)子改成了鑄銅，因?yàn)殂~的電阻率比鋁的電阻率更低，因此會(huì)降低轉(zhuǎn)子的電阻，從而會(huì)降低轉(zhuǎn)子損耗，達(dá)到提高電動(dòng)機(jī)效率的目的。

但也帶來了一個(gè)問題，那就是對(duì)鑄造工藝和設(shè)備都有了更高的要求。目前IE4標(biāo)準(zhǔn)以上的鑄銅轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)有YZTE4系列等。

自起動(dòng)永磁同步電機(jī)

三是自起動(dòng)永磁同步電機(jī)。此列電機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子為鑄鋁或銅條焊接，設(shè)計(jì)難度大，產(chǎn)業(yè)鏈比較成熟，成本高、規(guī)格齊全。缺點(diǎn)是起動(dòng)沖擊大，且無法調(diào)速。

目前，該系列的IE4標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)為TYE4系列自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。

變頻調(diào)速永磁同步電機(jī)

四是變頻調(diào)速永磁同步電機(jī)，也就是是我們常說的BLDC電機(jī)。它的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子無導(dǎo)條但有永磁體，最大的優(yōu)勢(shì)是免維護(hù)，高效率，設(shè)計(jì)難度一般，產(chǎn)業(yè)鏈比較成熟，規(guī)格齊全，但由于需要配置控制器，所以成本比較高，經(jīng)濟(jì)性較差。

圖：變頻永磁同步電動(dòng)機(jī)

這種電機(jī)也是這幾年的熱點(diǎn)，很多企業(yè)都在做，特別是半導(dǎo)體企業(yè)對(duì)這塊比較重視。因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)的控制需要用到大量的芯片產(chǎn)品，比如說MCU、DSP等微處理器，MOSFET和IGBT等功率器件，以及傳感器等等。

當(dāng)然，除了優(yōu)勢(shì)，永磁同步電機(jī)，或者說BLDC電機(jī)也還有些發(fā)展瓶頸需要面對(duì)，比如功率密度、材料，以及生產(chǎn)工藝等方面。

我們?cè)?月19日，還將會(huì)有一個(gè)線下研討會(huì)，會(huì)有專門的廠商和專家來一起討論BLDC電機(jī)的新技術(shù)和解決方案，以及市場(chǎng)的情況。有興趣的同學(xué)可以關(guān)注。

同步磁阻電動(dòng)機(jī)

五是同步磁阻電動(dòng)機(jī)。它利用轉(zhuǎn)子磁阻不均勻而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩工作，轉(zhuǎn)子是由鐵磁性材料以及非鐵磁性材料組成，沒有永久性磁鐵，也沒有繞組，是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的電機(jī)之一。
同步磁阻電動(dòng)機(jī)可以在低成本下產(chǎn)生高功率密度，又結(jié)合了永磁同步電機(jī)的性能與感應(yīng)電機(jī)的簡(jiǎn)單易用和易維護(hù)性，因此在許多應(yīng)用中相當(dāng)有吸引力。

另外，同步磁阻電動(dòng)機(jī)的控制策略與永磁同步電動(dòng)機(jī)非常相似,可以采用永磁同步電機(jī)常用的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等策略。

雖然同步磁阻電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)難度要大一些，但它可以比較容易地滿足IE4，甚至IE5標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)語
這就是目前IE4及以上電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的五種主要技術(shù)路線。當(dāng)然，要想實(shí)現(xiàn)更高效率電機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，還需要配套發(fā)展上游的關(guān)鍵材料，比如絕緣材料、冷軋硅鋼片；裝備（主要是沖床）、風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等下游產(chǎn)品等等。

也就是說，我們需要優(yōu)化電機(jī)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，才能提高高效電機(jī)產(chǎn)品開發(fā)及保障供給能力。