能效提升与永磁电机

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1、稀土永磁同步电动机,江苏爱尔玛电机制造有限公司 教授级高工 周志民 2013年5月,电机能效提升计划 与,本资料编辑： 周志民 教授级高工 享受国务院政府特殊津贴 有突出贡献的中青年专家 愿将本资料与从事电机系统节能工程的同志们共享,一、电机与电机系统,以电机为核心的用能系统 通过电动机将电能转化为机械能，实现各种所需功能的系统 包括：电动机、被拖动设备、控制装置、管网、负载等,根据欧盟提高高效电动机和驱动的市场份额即SAVE研究报告显示，工业用电动机消耗电能占其工业用电消耗的73%，我国约为75%,其中，欧盟工业部门中各电机驱动系统消耗电能的比例为：泵类22%，风机16%，空压机18%，制冷

2、压缩机7%，输送机2%，其它电机为35%，即风机、泵类、压缩机类共占总消耗电能的63%。,据统计测算2011年，我国电机保有量约17亿千瓦，总耗电量约3万亿千瓦时，占全社会总用电量的64%，其中工业领域电机总用电量为2.6万亿千瓦时约占工业用电的75%,近年来在国家政策的支持下，我国电机能效水平逐步提高，但总体能效水平任然很低。从电机自身看，我国电机效率平均水平比国外低35%，目前在用的高效电机仅占3%左右；从电机系统看，因匹配不合理、调节方式落后等原因，电机系统运行效率比国外先进水平低1020%，低效电机的大量使用造成巨大的用电浪费。,工业领域电机能效每提高1%，可年节约用电260亿千瓦时左

3、右。通过推广高效电机，淘汰在用低效电机，对低效电机进行高效再制造，以及对电机系统根据自身负载特点和运行工况进行匹配节能改造，可从整体上提升电机系统效率58%，年可实现节电13002300亿千瓦时，相当于23个三峡电站的发电量。,二、电机能效分级标准 1、2008年国际电工技术学会（IEC）制定了全球统一的电机能效分级标准，分为IE1、IE2、IE3和IE4四个等级同时对杂散损耗统一采用IEEE112B法 2、美国从1997年开始强制推行高效电机，2011年又强制推行超高效电机,3、欧洲于2011年也开始强制推行高效电机，分为EFF1、EFF2和EFF3三个等级，其中EFF1为最高。 4、我国2

4、006年发布了电机能效标准（GB18613-2006),近年来参照IEC标准组织进行了修订，新标准GB18613-2012（于2012年9月1日正式实施。要求电动机效率均应达到能效三级水平，五年后要达到能效二级水平。,国际能效标准体系,三、电机能效提升计划（20132015） 1、基本原则 坚持存量调整与增量提升相结合。从生产环节，严格执行电机能效标准，淘汰低效电机生产，提高高效电机的供给能力； 从使用环节，淘汰在用低效电机和改造提升相结合，鼓励新增需求采用高效电机。,2、主要目标 到2015年，实现电机产品升级换代，50%的低压三相笼型异步电动机产品、40%的高压电动机产品达到高效电机能效标

5、准规范；,累计推广高效电机1.7亿千瓦，淘汰在用低效电机1.6亿千瓦，实施电机系统节能技改1亿千瓦，实施淘汰电机高效再制造2000万千瓦。 预计2015年当年实现节电800亿千瓦时，相当于节能2600万吨标准煤，减排二氧化碳6800万吨,3、电机能效提升的途径,（1）增加用铜用铁量，以提升笼型三相异步电动机的效率 （2）研制稀土永磁同步电动机，效率达到GB18613-2012的一级能效水平（IE4） （3）采用变频调速器，以提高电机系统的能效水平,四、三相稀土永磁同步电动机 1、永磁电机,由永磁材料产生磁场 无需励磁电流，没有励磁绕组 既节约能量，又简化电机结构 这就是 永磁电机,2、永磁电机

6、特点,转速恒定，为同步转速。 功率因数高：通过合理设计能达到极限值1.0。 体积小，重量轻，噪声低。 效率高：正常运转时，转子无绕组铜耗；高功率因数，可使定子电流较小，定子绕组铜耗小。 转速与电机频率保持恒定，可简化控制系统。 电机可制成多级、低速大转矩，以直驱式取消齿轮箱，实现无齿化传动。 具有宽的经济运行范围,3、永磁电动机转子结构 （1）表面式转子结构,（2）内置式转子结构,V型,W型,U型,4、稀土永磁电动机节电的机理 效率含义,电机的效率是电机的有功输出功率和有功输入功率之比，通常用百分数表示。三相异步电动机的效率也就是电动机轴上输出的机械功率所占从电网取得的电功率的百分之几。 可用

7、下式表示： 式中 P2输出功率 P1输入功率,式中： Pcu1定子铜耗 Pcu2转子铜耗 Pfe1+ Pfe2铁耗 Ps杂散损耗 Pfw风摩损耗, 电动机的功率树,稀土永磁同步电动机的功率流程如图一（a）所示 图一：功率流量图 （a）永磁电动机 （b）异步电动机 说明：图中Pem为电动机气隙中电磁功率,与电磁 式同步电动机相比，稀土永磁同步电动机无励磁铜损耗Pcuf。 与异步电动机相比，稀土永磁同步电动机转子无铜损耗Pcu2。稀土永磁同步电动机一般极弧系数较大，在相同在E0或电压U时，相同，B小，铁损PFe较异步电机小。由于稀土永磁同步电动机气隙较大，其杂散损耗较小；损耗的减少和cos的增加，

8、使稀土永磁同步电动机定子电动机定子电流I1减少，定子铜损Pcu1减少。各种损耗的大幅度减少，导致稀土永磁电动机实实在在地节能。,5、稀土永磁电机的研究开发进入了一个新阶段：正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方向发展。目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1000 kW，最高转速已超过300000r/min，最低转速低于0.01 r/min，最小电机外径只有0.8mm，长1.2mm。,稀土永磁材料的磁性能优异，它经过充磁后不再需要外加能量就能建立很强的永久磁场，用来替代传统电机的电励磁场所制成的稀土永磁电机不仅效率高，而且结构简单、运行可靠，还可做到体积小、重量轻。既可达到传统电励磁电

9、机所无法比拟的高性能(如特高效、特高速、特高响应速度)，又可以制成能满足特定运行要求的特种电机。,稀土永磁电机与电力电子技术和微机控制技术相结合，更使电机及传动系统的性能提高到一个崭新的水平。从而提高所配套的机械装备的性能和水平，是电机行业调整产业结构的重要发展方向。同时也是节能机械链的一场变革。,6、研发稀土永磁电机的发展趋势, 自主设计、自主创新，掌握稀土永磁电机设 计的核心技术； 强化基础研究和应用研究，突破技术瓶颈，向产业化方向发展； 以产品研制为主，向产品研制、工艺及装备开发、标准、试验方法、规范化方向发展，形成具有自主和知识产权的成套技术； 从民品入手，注意积累稀土永磁电机工程经验

10、，延伸军用（民改军），向军民结合方向发展，向国家需要的特种电机方向发展。,7、稀土永磁电机的上游技术业已成熟,我国稀土资源丰富，稀土矿的储量占世界储量的80%，居世界首位。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平，实现了产业化充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种节能电机，将资源优势转化为经济优势，对加快实现我国全面进入小康社会具有重要意义。,五、江苏爱尔玛电机制造有限公司研制的稀土永磁同步电动机,1、永磁电动机的设计步骤 实践证明，永磁电动机要取得明显的节能效果，必须充分认识电机系统内负载的特点，先研究负载，再设计永磁电动机。,2、设计永

11、磁电动机的技术措施 采取一系列技术措施，把稀土永磁同步电动机的效率尽可能提高并获得宽的经济运行范围：,降低不变损耗,降低可变损耗,其他可能措施,采用最大铁损3.5W/kg的50W350冷轧硅钢片，要比采用50W470矽片的最大铁损4.7W/kg减少1.2W/kg，降低25.53%,可变损耗包括铜耗和杂散损耗： 定子斜槽 适当放大气隙长度 采用不等圆转子，合理选择极弧系数，使永磁电动机有良好的电动势正弦波型,可能采取的措施： 提高加工精度 定转子对正工艺 采用节能风扇 合理选择轴承游隙,3、永磁电动机的效率曲线和功率因数曲线具有高而平的特点 37KW 4P异步电动机和30KW 4P稀土永磁同步电

12、动机 效率曲线、功率因数曲线比较图,电动机效率水平 本公司研制的XYT系列稀土永磁同步电动机效率（以四极机为列）欧洲电动机效率标准和IEC6003430标准高效率、超高效率等级的比较：,2010年9月，上海电器科学研究院上海电器检测所，国家中小型电机及系统工程技术研究中心检测部对本公司XYT系列抽查了六个机座号的永磁电动机，进行了型式试验，电机指标全部合格，其中效率实测值与IEC6003430标准中IE4的比较为：,江苏爱尔玛电机制造有限公司研发的稀土永磁电动机效率高于欧洲效率一档标准eff1，属超高效电动机；高于IE3标准，属超超高效电动机 。,可以看出，稀土永磁同步电动机的效率特性具有高而

13、平的特点。当负载大范围变化时，节能效果更为明显。,电动机功率因数,产品标准为0.95，实测达到0.9760.998，接近极限值1.0，优于高效电动机0.86的水平，并能在120%20%负荷区展宽。,4、堵转转矩倍数 针对不同的负载，设计成不同的堵转倍数，如纺织细纱机用电动机为2.22.5倍，油田抽油机用电动机为3.64.0倍。 5、失步转矩倍数 失步转矩用以表征永磁电机的过载能力，本公司设计的永磁电机的失步转矩为2.22.5倍，有足够的过载能力。 6、电流波形为正弦波，波形畸变小。,爱尔玛XYT系列三相永磁同步电动机已列入国家惠民工程和政府采购目录，XYT系列包括下列负载专用永磁同步电动机：

14、7、根据爱尔玛永磁电动机的性能，质量和价格的优势，本着“选的准，跨的稳”的原则，通过对市场的调查和分析，研发了适应不同负载的专用永磁同步电动机：,（1）高牵入转矩三相稀土永磁同步电动机 主要用于：纺织行业的细纱机和化纤纺机节能改造、金属拉丝机的节能改造和配套。经细纱机上实测，相对于效率不同的纺织专用异步电动机，有功节电率在10%19%之间视原配套电动机是否是高效纺织专用异步电动机。,（2）风机、水泵类负载 根据沈阳水泵研究所提供的数据：一台额定功率为5KW的水泵，其选用的异步电动机一般为7.5KW，而水泵通常运行于3KW，大马拉小车的现象严重，异步电动机经济运行范围为60%100%，平均为68

15、%，而目前这台泵的运行负载点下滑到40%。效率和功率因数显著下降到非常低。,如果选用本产品配套，其数据系统将呈现另一种现象，这台额定功率5KW的水泵，由于采用稀土永磁同步电动机，因其堵转转矩倍数高，故仅需配套XYT112M4.0KW，使负荷率从原来的40%上升至75%，此时稀土永磁同步电动机效率的功率因数都处于最高点，使电动机能效值最佳而节电显著。我国风机和泵产品所消耗的电能分别约占我国电网总供电量的20%，节能改造和配套的市场容量极大。,我们在55KW4P稀土永磁电机在滤尘风机上应用，有功节电率达15.9% 我们在15KW4P稀土永磁电机在风机上应用，有功节电率可达17.81% 15KW4P

16、稀土永磁电机在单级单吸水泵上进行应用，有功节电率可达16.54% 这些应用证明，将稀土永磁电机在风机和水泵类负载上进行节能改造和配套节电效果是明显的、投资回收期一般在1.5年以内。如果在风机，水泵制造厂配套永磁电动机，由于减少了一台异步机的投资，投资回收期将会更短。,（3）高失步转矩三相稀土永磁同步电动机负载 主要适用于下列细分市场： 塑胶行业的开炼机驱动电动机的配套或节能改造，经试验，有功节电率达28.2% 冲床、压床和车床驱动电动机等机床的配套或节能改造，有功节电率达18.4% 注塑机、搅拌机、吹风机等轻工机械类产品的配套或节能改造，有功电率达24% 在这一类细分市场上，由于有冲击式或间断性加载，因本产品高失步转矩稀土电动机具有较强的过载能力，而很好地适应了这一类细分市场负载的要求：,（4）、压缩机配套专用永磁同步电动机包括无轴承永磁电动机 考虑了工作系数SF 考虑了加压带载条件下的频繁启动 考虑了环温46和相对湿度95%的