SEAD全球超高效競賽電機的研發

玉佳彬

(南陽防爆集團股份有限公司，河南 南陽 473008)

SEAD全球超高效競賽電機的研發

玉佳彬

(南陽防爆集團股份有限公司，河南 南陽 473008)

介紹了超超高能效設備電器推廣項目(SEAD)全球超高效競賽對電動機的具體要求。對南陽防爆的獲獎電動機的研發思路進行了概述，并詳細介紹了獲獎電機提高能效水平采取的主要方法。

SEAD； 全球超高效產品大獎賽； 電機

0 引 言

超超高能效設備電器推廣項目(Super-efficient Equipment and Appliance Deployment，SEAD)英文全稱的縮寫，是一項自愿的國際合作項目。SEAD國際大獎賽由清潔能源部長級會議和國際能效合作伙伴關系組織共同發起，旨在通過全球知名電氣企業的同臺競技，實施國際超超高能效電氣設備推廣項目，推進電氣設備能效提升計劃，加速傳統能源向清潔能源的轉型，是由包括美國、澳大利亞、英國等國家在內的16個國家參與的一項行動。

1 2014年度SEAD國際能效大賽

SEAD全球超超高效產品大獎賽將通過以下方式倡導效能改進：

(1) 評選出能效最高的產品；

(2) 指導采購商如何購買最高能效的直接替代電機；

(3) 展示異步電機和新技術電機可達到的能效水平。

1.1 獎項類別和比賽地區

2014年，大獎賽從澳大利亞、歐洲、印度和北美這四大地區中評選出15款能效最高的不同規格類別的ICE和NEMA異步電機。

鑒于輸出功率在0.75kW(1HP)～375kW(500HP)的中小型電機的用電量占電機用電總量的68%，以有助于實現最大限度節能為宗旨，綜合體現在全球四大地區中電機的差異，定位于蘊藏重大節能潛力并擁有較高市場占有率的電機為原則，確定電機規格選型。

由于電機在多數應用中都必須處于低負載下運行，因此，大獎賽將在提名IEC和NEMA異步電機的不同負荷運行工況下(25%、50%、75%及100%負荷)對其進行評估。

第3屆SEAD全球能效競賽從4個區域內選出性能最好的異步和新技術電機。競賽還向表現最好的4kW和11kW的異步電機，以及最大輸出為75kW的、最具降低能耗潛力的新技術電機頒發國際獎。

1.2 IEC異步電機性能要求

合格的IEC異步電機提名產品還必須滿足如下條件：

(1) 單速、三相、籠型異步電機(IEC 60034-1 Ed.112.0);

(2) N設計(IEC 60034-12 Ed.2.1 §5.2);

(3) 外殼防護等級IP54；

(4) S1連續性工作制(60034-1 §4.2.1)；

(5) 直接在線起動；

(6) 4極；

(7) 額定電壓為230～600V；

(8) 額定頻率為50Hz。

1.3 NEMA異步電機

合格的NEMA異步電機提名產品必須滿足如下條件：

(1) 通用交流電機(NEMA MG-1 2011 §1.6.1)；

(2) 多相籠型異步電機(MG-1 §1.18.1.1)；

(3) 恒速電機(MG-1 §1.30)；

(4) NEMA B設計(MG-1 §1.19.1.2)；

(5) 全封閉扇冷(MG-1 §1.26.2)；

(6) 額定連續工作制(MG-1 §1.40.1)；

(7) 4極；

(8) 額定電壓為230～600V；

(9) 額定頻率為60Hz。

新技術電機提名產品必須滿足如下條件：

(1) 包括永磁同步電機、電子整流電機，或磁阻同步電機；

(2) IP54防護等級；

(3) 額定持續工作制或S1工作制。

1.4 參賽條件

所有電機生產商都可以申請參賽。若某一區域銷售的產品符合提名要求，則申請人(參展商)可在該區域提名產品，而無須考慮其生產商位于何處。

參評異步電機類的申請人(參展商)在每個地區獎分類下只提名一種產品。所有申請地區獎的4kW和11kW異步電機都有機會參評國際獎(申請人不得直接申請國際獎)。一位申請人(參展商)可在所有地區獎分類下提名IEC異步電機，并有可能獲得所有地區和國際獎。

2 南陽防爆參賽樣機的研發情況

南陽防爆參賽樣機情況介紹如下。

(1) 南陽防爆報名參加澳大利亞、北美兩個地區的獎項的競賽，具體型號如表1所示，其中澳大利亞賽區選送的規格獲得了全球獎。

表1 南陽防爆參賽電機具體型號

(2) 南陽防爆參賽樣機的實測效率和加權效率值如表2所示。

表2 南陽防爆參賽樣機的實測效率和加權效率

表2中的實測效率值為南陽防爆試驗站按IEEE112B法測得的效率，起動性能指標均符合N設計(IEC電機)、NEMA B設計(NEMA電機)的要求。

該競賽項目考核的目標不僅僅是100%負載下的效率，同時要考核起動特性、不同負載點下綜合加權效率。競賽是對電機的電磁性能、電機運行時的狀態及節能效果幾方面的綜合考評。

要達到競賽的目標，就必須在電磁設計上保證可變損耗和不變損耗的相對關系，合理調整最高負載區間，同時在電機結構、加工工藝、檢測水平上進行了提升，保證電動機實際的雜耗、機械損耗及鐵耗要符合電動機電磁設計中的預期目標。

本次競賽電機提高能效水平主要采取的方法如下所述。

(1) 采用鑄銅轉子有效降低轉子損耗。南陽防爆通過多年與國際銅業、云南壓鑄科技有限公司合作，已掌握了鑄銅轉子技術及其對電動機各項性能的影響，鑄銅技術及其相關產品已申請了多項國家專利。

通過計算，如果直接采用原鑄鋁設計方案，僅僅將轉子導條材質鋁改為銅，會造成效率裕度過高、起動電流超標、起動轉矩不合格，成本增加8%～9%；故該方案不可取。

要合理運用銅轉子技術，應從轉子槽形的優化著手，設計出適用于銅的轉子沖片，以達到整機最優的性能。基于同等效率水平，考慮銅轉子電機轉子損耗小、散熱好的特點，在設計時銅轉子電機的磁密、電密的設計值均大于鋁轉子電機，設計時相對提高電機的電磁熱負荷，提高材料的利用率。

(2) 硅鋼片退火工藝的運用。在高效電機制造中對硅鋼片采用退火處理工藝，其高導磁性能已在國內外電動機行業中達成共識。

高效電機采用的冷軋硅鋼片在出廠時均具有良好的導磁性能和低損耗的特性，但由于對沖槽應力敏感性，及由于齒槽存在氣隙齒諧波磁場，所以在鐵心表面引起空載高頻損耗，導致電機試驗后，鐵耗比設計值高1.5～2倍。這在正常的電磁設計程序中是無法從理論上計算出來的。同時槽形越大、硅鋼片選取的牌號越低，鐵耗異常的現象越明顯，大大破壞了硅鋼片原有的優良性能，效率也會因此而降低，甚至達不到普通硅鋼片的效率水平。

因此，要充分利用硅鋼片的優良性能，必須采取必要的退火工藝，以消除沖剪應力，使因沖剪邊緣效應引起的歪曲的晶粒、畸變的晶格、凌亂的磁疇得以復原和改善，有效降低硅鋼片的磁滯損耗，使硅鋼片的磁性能得以恢復。

競賽樣機的鐵耗均在設計范圍內，約占電機總損耗的20%。

(3) 降雜耗的有效方法。雜散損耗是完全可以通過在原材料選擇、電磁設計、工藝方法上采取有效措施后，得以明顯降低的一種損耗。

選取優質的硅鋼片，雜耗有一定的降低。在電磁設計上槽配合的選取，選用近槽配合雜耗會有降低，但電磁噪聲明顯；多槽配合在小電機中可以提高轉矩性能、降低噪聲，但雜耗、鐵耗指標不盡人意。因此，在槽配合選取中要慎重。本次競賽均采用行業推薦的成熟的槽配合。同時定子線圈采用低諧波繞組，對降雜耗有明顯效果。

在考慮起動性能、功率因數等性能的基礎上，將氣隙適當放大可以達到降雜耗效果。

同時，利用專用特種刀具對轉子外圓精車，加工后應采用特殊的酸洗工藝流程，最大限度地減小轉子車外圓時的片間粘連和毛刺而引起的電機雜散損耗。

競賽樣機的雜耗經實測法測得，最大占輸入功率的0.7%，平均0.6%。

(4) 控制不同負載點下的效率水平。低壓異步電動機一般是運行在50%～80%負載點下，其中抽油機電機的負載點僅在20%～60%之間。要使高效電機在使用工況下真正節能，要考慮低負載點下的效率水平。

異步電機的效率在不同負載率時的變化與電機的磁密有關。提高磁密，則100%負載下的效率會增加，效率曲線的最高點也會移向100%負載點，片面靠提高磁密來追求100%負載下的效率水平，不利于電機的節能運行。因此，要使低負載率區有較高的效率，磁密要有所降低，同時還可以保證在較寬的負載率范圍內都有較高的效率。

(5) 制造加工工藝水平的提升及控制。電機的制造加工工藝水平的提升及控制對效率水平的穩定性有很大的影響。在制造過程的關鍵環節，如機座、鐵心、端蓋軸承室、軸承臺、轉子外圓加工處理等工序采用數控設備，鼓勵零部件尺寸采用中間公差，縮小公差帶，提高形位公差精度，來保證整機的裝配質量。

(6) 檢測手段的準確性。南陽防爆具備國內電動機制造行業唯一一家國家CNAS認可試驗室，在國家定期進行的能效標識比對工作中，試驗室對樣機出具的能效一致性核驗報告，完全符合一致性要求，表示能效產品屬于受控狀態。

此次參賽樣機的試驗采用國際通用IEEE112B法測試效率，測試方法的準確性真實反映了電機的效率水平，為電動機在全球平臺上的競賽提供了依據和信心。

3 結 語

IE4超高效電動機在國際上獲獎是對中國在電動機設計制造方面的技術實力的一種認可，同時也提供了一次在全球同行業內進行公司產品高效技術水平檢驗和向全球一流企業學習的絕佳機會。

[1] 黃國治，傅豐禮.Y2系列三相異步電動機技術手冊[M].北京： 機械工業出版社，2004.

[2] 閆峰，玉佳彬.超高效電機的關鍵制造技術[J].電機與控制應用，2013(7)： 9-12.

2014-12-22

Research and Development of SEAD Global Super Efficient Competition Motor

YUJiabin

(Nanyang Explision Protection Group Go., Ltd., Nanyang 473008, China)

The SEAD super-efficient global competition to the specific requirements of the motor was introduced, the development way of winning motor were summarized, and the award-winning motor take the main method of improving energy efficiency level were introduced in detail.

super-efficient equipment and appliance deployment; grand prix super-efficient products around the world; motor

玉佳彬

TM 301

A

1673-6540(2015)05-0066-03