國際上，美國、加拿大和歐洲等地相繼頒布了有關(guān)法規(guī)強(qiáng)制推行高效電機(jī)。我國中小型電機(jī)行業(yè)的“十五”規(guī)劃將開發(fā)高效電動(dòng)機(jī)提上了議程，并對(duì)開發(fā)高效電機(jī)借鑒歐洲標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成了共識(shí)。這是因?yàn)椋?br />
（1）目前我國的電工標(biāo)準(zhǔn)體系基本是等同采用IEC的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）我國Y系列和Y2系列電動(dòng)機(jī)均與德國標(biāo)準(zhǔn)DIN42673相對(duì)應(yīng)，且電壓和頻率也與歐洲的一致。

（3）我國Y2系列電機(jī)與eff2系列電動(dòng)機(jī)的效率基本相當(dāng)，Y2E系列略低于eff1系列（2極電動(dòng)機(jī)平均低0.94％，4極電動(dòng)機(jī)平均低1.65％）。故只要適當(dāng)調(diào)整設(shè)計(jì)，均可以達(dá)到歐洲eff2和eff1的水平。

實(shí)現(xiàn)高效的途徑

交流電動(dòng)機(jī)按電機(jī)工作原理，可分為異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。通常，一般用途的驅(qū)動(dòng)電機(jī)都是異步電動(dòng)機(jī)，目前是Y系列和Y2系列電機(jī)。雖然傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)具有高效率和高功率因數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、起動(dòng)困難、制造成本高和維護(hù)麻煩，一般電力拖動(dòng)系統(tǒng)很少使用同步電動(dòng)機(jī)。而永磁同步電動(dòng)機(jī)隨著永磁材料的發(fā)展及設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷成熟，不但解決了電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)還解決了電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)無法自起動(dòng)的不足，使其可以像異步電動(dòng)機(jī)一樣方便使用。永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)合了異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)效率高的優(yōu)點(diǎn)。因此高效電機(jī)既可以設(shè)計(jì)成高效異步電動(dòng)機(jī)，亦可考慮設(shè)計(jì)成高效永磁同步電動(dòng)機(jī)。

若以Y2系列異步電動(dòng)機(jī)為藍(lán)本，設(shè)計(jì)開發(fā)高效異步電動(dòng)機(jī)，則主要措施有：降低電磁負(fù)荷（鐵心加長，降低磁負(fù)荷以減少鐵耗；適當(dāng)加大槽形，加粗導(dǎo)體以降低銅耗）、合理選擇槽配合、提高制造水平、改進(jìn)風(fēng)扇設(shè)計(jì)和選用高性能的材料等。而同樣以Y2系列電機(jī)作藍(lán)本，設(shè)計(jì)開發(fā)高效永磁同步電動(dòng)機(jī)，則主要工作有：選擇恰當(dāng)?shù)拇怕方Y(jié)構(gòu)，確定永磁體的類型和具體牌號(hào)，設(shè)計(jì)定、轉(zhuǎn)子沖片等。

方案對(duì)比和分析

1、電機(jī)的效率指標(biāo)

我國于2012年5月11日頒布了國標(biāo)GB18613－2012《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》，并于2012年9月1日正式實(shí)施。GB18613－2012將能效等級(jí)分為1、2和3級(jí)，1級(jí)等同于IE1（超超高效，IEC60034－31）；2級(jí)等同于IE2（超高效，IEC60034－30）；3級(jí)等同于IE3（高效，IEC60034－30）。表1列出GB18613－20122級(jí)能效規(guī)定值和1.1～90kW的4P電機(jī)的Y2、Y2-E和永磁電機(jī)間的效率指標(biāo)對(duì)比。

2、高效異步電機(jī)

Y2系列異步電動(dòng)機(jī)是目前廣泛使用的普通用途的電機(jī)。在聯(lián)合開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)其進(jìn)行了提高效率等一系列的設(shè)改進(jìn)，即產(chǎn)生了上文中提到的Y2-E系列。Y2-E系列設(shè)計(jì)從H80-280共進(jìn)行了53個(gè)規(guī)格的設(shè)計(jì)，有效材料的耗材情況對(duì)比見表2。

表2中，成本價(jià)格按電磁線25元/kg，硅鋼片5.5元/kg，鋁20元/kg計(jì)。這53個(gè)規(guī)格中，Y2基本系列設(shè)計(jì)的效率算術(shù)平均值為86.77%，Y2-E設(shè)計(jì)的效率算術(shù)平均值為87.83%，效率提升了1.06％。但有效材料多用了13.6%，由此推測，當(dāng)效率設(shè)計(jì)值從表1的87.52%提高到90.73%時(shí)，有效材料大約應(yīng)比Y2基本系列多用41.2%。如果設(shè)計(jì)時(shí)效率再留0.5％的余量，則有效材料約比Y2基本系列多用47.6%。高效異步電機(jī)三大有效材料的推測用量亦列于表2中。

按目前每年生產(chǎn)中小型異步電動(dòng)機(jī)4000萬千瓦計(jì)，如果其中的1/4使用高效異步電動(dòng)機(jī)，節(jié)能雖然有效果，但電動(dòng)機(jī)制造廠為此要多付約3.007億元/年的材料費(fèi)用，其中，電磁線4535t，硅鋼片29220t，鋁830t。除此之外，電機(jī)生產(chǎn)的輔助材料，如絕緣漆和槽絕緣紙等也要相應(yīng)多消耗。在模具方面，每個(gè)規(guī)格高效電機(jī)基本都需要增加定、轉(zhuǎn)子沖片模具、繞線模、鑄鋁中模、鑄鋁端模和定子疊壓漲胎等。對(duì)于功率較小的電機(jī)，由于效率增加較多，鐵心長度加長較多，會(huì)出現(xiàn)Y2機(jī)座無法容納鐵心的情況，還必須重新制作機(jī)座模具，所增加的費(fèi)用就更多了。另外，由于定、轉(zhuǎn)子與Y2系列不一樣，同時(shí)又增加了企業(yè)的生產(chǎn)管理成本。

3、高效永磁同步電機(jī)

永磁同步電動(dòng)機(jī)由于沒有了轉(zhuǎn)差功率損耗，效率可以設(shè)計(jì)得很高，同時(shí)功率因數(shù)亦相當(dāng)高。為便于分析比較，本文設(shè)計(jì)了4P、1.5～90kW的永磁同步電動(dòng)機(jī)，全部借用Y2系列相應(yīng)規(guī)格的定子沖片，鐵心長度也不做變化，只對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。這樣涉及改動(dòng)的模具只有轉(zhuǎn)子沖模和鑄鋁端模。電磁線、硅鋼片和電機(jī)制造的輔助材料的用量與Y2的相同，用鋁量有所下降，當(dāng)然比Y2系列多用了永久磁鋼。其設(shè)計(jì)的效率值和耗材量亦分別列在表1和表2中。

4、兩種方案對(duì)比

由表1可知，PMSM的效率設(shè)計(jì)值高出eff1效率平均值0.75％，而成本卻比異步高效方案節(jié)約9.38元/kW（永久磁鋼按170元/kg計(jì)）。以年產(chǎn)1000萬千瓦高效電機(jī)來測算，采用永磁同步電機(jī)方案每年可節(jié)省制造成本9380萬元。此外，還可節(jié)省電磁線4535t，硅鋼片29220t以及其它原輔材料。雖然，比異步高效方案多消耗永久磁鋼（稀土永磁材料）1427t，但我國的稀土資源豐富，稀土礦的儲(chǔ)存量為世界其它各國總和的4倍左右，號(hào)稱“稀土王國”，因此可利用此得天獨(dú)厚的條件，大力發(fā)展我國的永磁同步高效電機(jī)。

5、樣機(jī)對(duì)比

Y2-200L-4鐵心長195mm，Y2-200L-4E鐵心長230mm，后者約多用有效材料17.95%。聯(lián)合設(shè)計(jì)時(shí)試制的兩臺(tái)樣機(jī)效率分別為92.7%和92.9%，均低于eff1的93.2%的標(biāo)準(zhǔn)。

若要使電機(jī)符合eff1標(biāo)準(zhǔn)，還需要重新設(shè)計(jì)。如要確保生產(chǎn)的電機(jī)符合標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留一定的余量。按試制的兩臺(tái)樣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，再提高1％，即效率分別為93.7%和93.9%，則有效材料將再增加10%左右，即符合eff1標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)有效材料將比Y2-200L-4多用29.7%。Y2-200L-4有效材料約1800元，則設(shè)計(jì)生產(chǎn)出合格的高效異步電機(jī)將多用534.6元。

而所設(shè)計(jì)和試制的永磁同步電機(jī)PMSM200L-4，鐵心長度與Y2-200L-4相同，只對(duì)轉(zhuǎn)子部分重新設(shè)計(jì)，耗用的永久磁鋼3.43kg，按170元/kg計(jì)，成本比Y2-200L-4多用583.1元。試制的兩臺(tái)樣機(jī)效率分別是95.3%和93.8%（其中一臺(tái)樣機(jī)鐵心疊壓質(zhì)量不太理想），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過eff1標(biāo)準(zhǔn)。

通過對(duì)高效電機(jī)兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

（1）盡管異步電機(jī)通過改進(jìn)設(shè)計(jì)也可以實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能，但和采用永磁同步電機(jī)的方案相比，會(huì)耗用更多的材料，而且動(dòng)用的模具多，會(huì)增加生產(chǎn)管理成本。

（2）異步電機(jī)即使耗材較多，但也很難實(shí)現(xiàn)高效。主要原因?yàn)楣β试叫〉碾姍C(jī)，轉(zhuǎn)差損耗所占的比例越大。永磁同步電機(jī)，特別是功率較小的電機(jī)，耗材少，制造成本低，易達(dá)到高效的目的。

（3）根據(jù)表1可知，永磁同步電機(jī)的效率高于eff1的標(biāo)準(zhǔn)。此外，永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)也比異步電機(jī)高很多，可改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。

（4）雖然要耗用一定的稀土材料，但采用永磁同步電機(jī)方案可節(jié)約鋼材和銅材。

隨著對(duì)永磁同步電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)的持續(xù)研究，設(shè)計(jì)方法與制造工藝的不斷改進(jìn)，控制技術(shù)的快速發(fā)展和日漸成熟，永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢將更加凸顯。