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高效电机的5种技术路线

荷叶塘 来源:电子发烧友网 作者:程文智 2022-03-13 09:02 次阅读

(文/程文智)2021年6月1日起,我国正式实施的最新电机能效标准《GB18613-2020电动机能效限定及能效等级》,该标准实施后,三相异步电机能效限定值达不到IE3的电机,就不能再生产、销售和采购了。

去年年底,工业信息化部、市场监督管理总局联合印发《电机能效提升计划(2021-2023年)》。在文件中特别强调,到2023年,高效节能电机年产量要达到1.7亿千瓦,在役高效节能电机占比达到20%以上,实现年节电量490亿千瓦时,相当于年节约标准煤1500万吨,减排二氧化碳2800万吨。

因此,电机企业要从技术、装备、工艺、材料和销售等各方面做好充分的准备。

那么,高效电机有哪些技术路线可供选择呢?就目前来看,主要有五种技术路线:

三相异步电动机

一是三相异步电动机。它是工业用的电动机械,其功率范围从几瓦到上万千瓦,具有广泛的应用范围。主要用于风机、泵、压缩机、机床、轻工及矿山机械、农业生产中的脱粒机和粉碎机、农副产品中的加工机械等等。

图:YE4系列三相异步电动机(来源:华力集团官网)


它的优点是结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高,转子为铸铝,设计难度小、产业链成熟,以及规格齐全等等。
缺点是功率因素较差,总是小于1;目前尚不能经济地在较大范围内平滑调速。

因此,三相异步电动机的传统应用是在定速的场合,不过现在越来越多的三相异步电动机应用是配合变频器(VFD),或者是变速驱动器来使用。变频器可以配合频率调整输出电压,若是应用在离心型风扇、泵,或是压缩机上,配合感应电动机可以达到节能的效果。

目前高能效IE4以上的三相异步电动机由YE4,和YE5系列等等。也就是说需要发展YE4和YE5系列三相异步电动机。

铸铜转子三相异步电动机

二是铸铜转子三相异步电动机。它其实也是属于三相异步电动机的一种,只是转子改成了铸铜,因为铜的电阻率比铝的电阻率更低,因此会降低转子的电阻,从而会降低转子损耗,达到提高电动机效率的目的。

但也带来了一个问题,那就是对铸造工艺和设备都有了更高的要求。目前IE4标准以上的铸铜转子三相异步电动机有YZTE4系列等。

自起动永磁同步电机

三是自起动永磁同步电机。此列电机的特点是转子为铸铝或铜条焊接,设计难度大,产业链比较成熟,成本高、规格齐全。缺点是起动冲击大,且无法调速。

目前,该系列的IE4标准电机为TYE4系列自起动永磁同步电动机。

变频调速永磁同步电机

四是变频调速永磁同步电机,也就是是我们常说的BLDC电机。它的特点是转子无导条但有永磁体,最大的优势是免维护,高效率,设计难度一般,产业链比较成熟,规格齐全,但由于需要配置控制器,所以成本比较高,经济性较差。

图:变频永磁同步电动机


这种电机也是这几年的热点,很多企业都在做,特别是半导体企业对这块比较重视。因为永磁同步电机的控制需要用到大量的芯片产品,比如说MCUDSP微处理器MOSFETIGBT等功率器件,以及传感器等等。

当然,除了优势,永磁同步电机,或者说BLDC电机也还有些发展瓶颈需要面对,比如功率密度、材料,以及生产工艺等方面。

我们在5月19日,还将会有一个线下研讨会,会有专门的厂商和专家来一起讨论BLDC电机的新技术和解决方案,以及市场的情况。有兴趣的同学可以关注。

同步磁阻电动机

五是同步磁阻电动机。它利用转子磁阻不均匀而产生的转矩工作,转子是由铁磁性材料以及非铁磁性材料组成,没有永久性磁铁,也没有绕组,是结构最简单的电机之一。
同步磁阻电动机可以在低成本下产生高功率密度,又结合了永磁同步电机的性能与感应电机的简单易用和易维护性,因此在许多应用中相当有吸引力。

另外,同步磁阻电动机的控制策略与永磁同步电动机非常相似,可以采用永磁同步电机常用的矢量控制和直接转矩控制等策略。

虽然同步磁阻电动机的设计难度要大一些,但它可以比较容易地满足IE4,甚至IE5标准。

结语
这就是目前IE4及以上电机标准的五种主要技术路线。当然,要想实现更高效率电机的设计和生产,还需要配套发展上游的关键材料,比如绝缘材料、冷轧硅钢片;装备(主要是冲床)、风机、泵、压缩机等下游产品等等。

也就是说,我们需要优化电机产业结构,才能提高高效电机产品开发及保障供给能力。

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