一、        前言 

電動機廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、公共設(shè)施及家用電器等各領(lǐng)域中的機械裝備、風(fēng)機、水泵、壓縮機、冶金、石化、紡織、造紙、交通、建筑、礦山、食品等行業(yè)，屬于量大面廣的通用標準產(chǎn)品。目前，電動機的用電量平均占世界各國總用電量的40%以上，占工業(yè)用電量的60%以上。表1為一些國家和地區(qū)電動機用電量占工業(yè)用電總量的比例。據(jù)美國、歐盟等統(tǒng)計,電動機用電量約占總用電量的42%～50%；三相異步電動機用電量占電動機總用電量的90%左右；37kW及以下電動機占電動機總裝機數(shù)95%以上、占電動機總用電量的50%左右。
表1 一些國家/組織電動機用電量占工業(yè)用電量的比重

我國是亞洲第一大電力消耗國，也是世界上目前缺電最為嚴重的發(fā)展中國家，從1992年起我國的年發(fā)電量和用電量均居世界第二位，而其中60%以上的電能被用于驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。因此，電動機能源效率水平的提高對于我國能源節(jié)約、環(huán)境保護以及資金節(jié)約均具有重要意義。同時，高效電動機的開發(fā)與應(yīng)用也是目前國際上的發(fā)展趨勢，世界各國對電動機的節(jié)能工作都給予了高度的重視。

二、        我國電動機的能效現(xiàn)狀 

我國有一定規(guī)模的中小電機生產(chǎn)企業(yè)有300家左右，生產(chǎn)的中小型電機有300個系列，1500個品種，產(chǎn)品以一般效率的Y、Y2、Y3系列和高效率的Y2-E、YX3系列，其中Y系列電機為我國80年代產(chǎn)品，Y2系列為90年代產(chǎn)品，Y3系列基本達到了21世紀初國際同類的先進水平，可達到歐洲能效標準的eff2水平，目前屬于全國推廣產(chǎn)品。YX3系列基本可達到歐洲能效標準的eff1水平，同時達到GB18613-2006《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》中能效等級1級要求。
我國可生產(chǎn)Y2-E、YX3系列及其它多種型號的高效電機，并能批量出口到歐美，說明我國的電機制造水平目前大公司已達到世界先進水平。我國使用的電機70%以上均是中小交流電機，主要集中在3kW至90kW，平均效率為89.3%。高效電機的平均效率可達94%。我國中小型交流電機占電機總量的70%，每年新增中小型電機的損耗約為78.6 億kWh，如使用高效電機，可節(jié)能950萬kW；如將舊電機全換為高效電機，可節(jié)能550萬kW。高效電機的投資回報，以55kW電機為例，回收期為1.06年；以22kW電機為例，回收期為1.48年。
我國于2002年出臺第一部有關(guān)電動機的能效標準：GB18613—2002《中小型三相異步電動機能效限定值及節(jié)能評價值》，2004年國家發(fā)展和改革委員會制定了《節(jié)能中長期專項規(guī)劃》，把高效節(jié)能電動機列入第十一個五年計劃中的重點節(jié)能推廣項目，同時于2005年6月對GB18613標準進行修定。2006年8月發(fā)布了GB18613—2006《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》標準。
該標準參考了歐盟EU—CEMEP協(xié)議、澳大利亞與新西蘭AS/NZS 1359.5同類標準，直接采用了歐洲eff1和eff2的效率標準。該標準根據(jù)我國電動機生產(chǎn)和使用的現(xiàn)狀，對電動機的效率水平進行了3個等級的分級，即Eff1 ,Eff2和Eff3。標準規(guī)定Eff3為能效限定值（最低效率值），效率Eff2值在GB18613—2006標準實施之日4年后開始執(zhí)行（2010年12月），并替代Eff3的電動機能效限定值，成為我國電機最低效率保證值。
三．國外電動機的能效現(xiàn)狀
在2005年9月的電機系統(tǒng)能效國際會議上，來自世界各國的代表就這一問題達成了共識，新的IEC61972標準的頒布與實施，將會有力地推動電動機全球能效標準一體化的進程。
目前，世界上已制訂電動機強制性能效標準的國家和地區(qū)有澳大利亞、新西蘭、加拿大、巴西、美國、墨西哥，印度、中國。 

1．            歐盟 

歐盟在上世紀90年代中期開始對電動機節(jié)能進行調(diào)研和政策制定工作。1999年，歐盟委員會交通能源局(EU-DGTE)與歐洲電機和電力電子制造商協(xié)會(CEMEP )就電動機分級計劃達成了自愿協(xié)議(簡稱CEMEP協(xié)議)，該協(xié)議對電動機的效率水平進行了分級，即Eff1 ,Eff2,Eff3。在2005年底，禁止生產(chǎn)和流通Eff3級電動機。效率Eff2為最基本的能效要求。2008年8月11日起，歐盟EuP指令正式轉(zhuǎn)化為歐盟成員國的法規(guī)。它是繼歐盟2006年實施的RoHS(《電氣電子設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)指令》)和WEEE(《廢棄電氣電子設(shè)備指令》)兩項貿(mào)易壁壘之后的又一道“綠色指令”。指令規(guī)定，想要進入歐盟市場的用能產(chǎn)品必須提供相應(yīng)的“生態(tài)學(xué)檔案”?！吧鷳B(tài)學(xué)檔案”，是指對產(chǎn)品在原材料獲取、生產(chǎn)加工、運輸、銷售等生命周期各環(huán)節(jié)對生態(tài)的影響進行的數(shù)據(jù)搜集、統(tǒng)計和整理，即對產(chǎn)品生態(tài)數(shù)據(jù)的管理。這些影響既包括產(chǎn)品從環(huán)境中輸入了多少，比如采用了多少原材料，消耗了多少能源、水等，也包含向環(huán)境輸出了多少，比如排放了多少污染物。
剛剛出臺了第一批產(chǎn)品實施細則中包含有電動機，歐盟已表示要從2008年底起將高效電動機作為強制性要求，最低標準效率執(zhí)行Eff1，到2010年為過渡期。
表2 2010年歐盟異步電動機節(jié)能預(yù)測值

2．            美國 

20世紀70年代第一次能源危機后，美國能源部已認識到電動機節(jié)能的重要性，組織相關(guān)機構(gòu)積極研究開發(fā)高效電動機，并采用市場方式推廣高效電動機的應(yīng)用。但是經(jīng)過十幾年的推廣實踐，到1988年時發(fā)現(xiàn)，高效電動機的推廣應(yīng)用速度甚緩，市場占有率還不到20%，大大低于既定目標。為了改變這種情況，美國政府于90年代初決定采取行政干預(yù)的方式。1992年，美國國會通過了“能源政策法令”(EPACT法令)，該法令對電動機的最低效率值做出了規(guī)定，并要求在60個月后正式生效。也就是說，從1997年10月24日起，凡是在美國銷售的通用電機，都必須達到最新制定的最低效率指標，即EPACT效率指標。EPACT效率指標是根據(jù)美國全國電氣制造商協(xié)會(NEMA )1990年的標準NEMA12-10(即NEMA 12-6C)的規(guī)定制定的。EPACT所規(guī)定的效率指標為當時美國主要電動機制造商所生產(chǎn)的高效電動機效率指標的平均值。美國在完成了其最低效率標準NEMA12-10的制訂工作后，考慮到用戶對更高效率水平產(chǎn)品的需求，又制訂了一系列超前標準，如NEMAE設(shè)計標準(即NEMA12-11標準)，其效率指標較NEMA12-10提高了1-4個百分點;美國能源效率聯(lián)盟(CEE)與美國NEMA聯(lián)合制定的超高效率電機(Premium Efficiency)指標，其效率水平接近NEMAE設(shè)計，較EPACT指標提高了1-3個百分點，損耗較EPACT指標下降了20%左右。大部分美國電動機制造商按照EPACT法令僅用2～3年就完成了從一般效率電動機轉(zhuǎn)換到高效率電動機的生產(chǎn)過渡。為了進一步推動電動機的節(jié)能，美國能源部、環(huán)保局以及美國能源效率聯(lián)盟(CEE)組織在2001年推出超高效率電機(NEMA Premium’)的生產(chǎn)和應(yīng)用。2003年，NEMA Premium’超高效電機的市場份額已經(jīng)上升至20%以上。美國能源部、環(huán)保局以及美國能源效率聯(lián)盟(CEE)于2007年3月通過決議，將用36個月的時間（既到2010年）強制執(zhí)行超高效電機標準，該標準主要用于美國的石油化學(xué)工業(yè)和紙漿、紙張工業(yè)。IEEE 841-之001標準的電動機效率指標比EPACT指標提高了1～2 個百分點。 

3．            澳大利亞 

澳大利亞政府為節(jié)約能源和保護環(huán)境，自1999年起，開始對家用電器和工業(yè)設(shè)備實施強制性能效標準計劃(MEPS計劃)，由澳大利亞政府下屬溫室氣體辦公室會同澳大利亞標準委員會進行管理。澳大利亞的電動機強制性標準于2004年7月批準生效，新西蘭也執(zhí)行此標準。在澳洲和新西蘭生產(chǎn)和進口的電機均需達到或超過此標準所規(guī)定的最低效率指標。該標準除規(guī)定了強制性的最低標準外，還規(guī)定了高效率電機指標，為推薦性標準，并鼓勵用戶采用，其數(shù)值與歐盟的Eff1及美國的EPACT相近。澳大利亞和新西蘭還確定了以歐盟Eff1為基礎(chǔ)的強制性電動機能效標準，并于2006年4月開始實施。此外，加拿大、墨西哥、巴西等國都制訂了強制性最低能效標準。
4．            國際電工IEC
國際電工委員會IEC/TC2于2006年提出制定一項電動機能效分級標準，以統(tǒng)一和協(xié)調(diào)全球市場。該標準得到世界各國認可。新的IEC60034-30標準將電動機的效率分為Eff1、Eff2、Eff3、Eff4共4級，基本損耗在降低15%～20%的基礎(chǔ)上形成高一等級的效率指標。今后，國際市場上將統(tǒng)一規(guī)范為4級效率等級的電動機。
Eff1為標準效率電機，幾乎是列入各國既將淘汰的效率等級；Eff2為高效率電機；Eff3為超高效率電機；Eff4為超超高效率電機；澳大利亞、加拿大、美國、歐盟等將Eff2效率等級電機列為本國最低強制效率標準。 

四．    電動機提高效率的措施 

電機的節(jié)能是一項系統(tǒng)工程，涉及電動機的全壽命周期，從電動機的設(shè)計、制造到電動機的選型、運行、調(diào)節(jié)、檢修、報廢，要從電動機的整個壽命周期考慮其節(jié)能措施的效果，國內(nèi)外在這方面主要考慮從以下幾個方面提高電機的效率。
節(jié)能電動機的設(shè)計是指運用優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、新材料技術(shù)、控制技術(shù)、集成技術(shù)、試驗檢測技術(shù)等現(xiàn)代設(shè)計手段，減小電動機的功率損耗，提高電動機的效率，設(shè)計出高效的電動機。
電動機在將電能轉(zhuǎn)換為機械能的同時,本身也損耗一部分能量,典型交流電動機損耗的分布見表3，表4。這些損耗一般可分為固定損耗、可變損耗和雜散損耗三部分。可變損耗是隨負荷變化的，包括定子電阻損耗（銅損）、轉(zhuǎn)子電阻損耗和電刷電阻損耗；固定損耗與負荷無關(guān)，包括鐵芯損耗和機械損耗。鐵損又由磁滯損耗和渦流損耗所組成，與電壓的平方成正比，其中磁滯損耗還與頻率成反比；其他雜散損耗是機械損耗和其他損耗，包括軸承的摩擦損耗和風(fēng)扇、轉(zhuǎn)子等由于旋轉(zhuǎn)引起的風(fēng)阻損耗；其主要提高效率的措施有: 

表3 交流電動機的損耗及比例

表4 標準感應(yīng)電機中滿載時的損耗分布

電動機定子繞組電阻損失：降低電動機定子繞組的電阻是減少定子損失的主要手段，實踐中采用較多的方法是：

（1）增加定子槽截面積，在同樣定子外徑的情況下，增加定子槽截面積會減少磁路面積，增加齒部磁密；

（2）增加定子槽滿槽率，這對低壓小電動機效果較好，應(yīng)用最佳繞線和絕緣尺寸、大導(dǎo)線截面積可增加定子的滿槽率；

（3）盡量縮短定子繞組端部長度，定子繞組端部損耗占繞組總損耗的1/4～1/2,減少繞組端部長度,可提高電動機效率。實驗表明,端部長度減少20%,損耗下降10%。 電動機轉(zhuǎn)子繞組電阻損失：電動機轉(zhuǎn)子的損失主要與轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子電阻有關(guān)，相應(yīng)的節(jié)能方法主要有：

（1）減小轉(zhuǎn)子電流，這可從提高電壓和電機功率因素兩方面考慮；

（2）增加轉(zhuǎn)子槽截面積；

（3）減小轉(zhuǎn)子繞組的電阻，如采用粗的導(dǎo)線和電阻低的材料，這對小電動機較有意義，因為小電動機一般為鑄鋁轉(zhuǎn)子，若采用鑄銅轉(zhuǎn)子，電動機總損失可減少10％～15％，但目前鑄銅轉(zhuǎn)子所需制造溫度高且技術(shù)尚未普及，其成本高于鑄鋁轉(zhuǎn)子15％～20％. 

電動機鐵耗損失：電動機鐵耗損失可以由

（1）減小磁密度，增加鐵芯的長度以降低磁通密度，但電動機用鐵量隨之增加；

（2）減少鐵芯片的厚度來減少感應(yīng)電流的損失，如用冷軋硅鋼片代替熱軋硅鋼片可減小硅鋼片的厚度，但薄鐵芯片會增加鐵芯片數(shù)目和電機制造陳本；

（3）采用導(dǎo)磁性能良好的冷軋硅鋼片降低磁滯損耗；

（4）采用高性能鐵芯片絕緣涂層；

（5）熱處理及制造技術(shù)，鐵芯片加工后的剩余應(yīng)力會嚴重影響電動機的損耗，硅鋼片加工時，裁剪方向、沖剪應(yīng)力對鐵芯損耗的影響較大。順著硅鋼片的碾軋方向裁剪、并對硅鋼沖片進行熱處理，可降低10%～20%的損耗 等方法來實現(xiàn)。 

電動機雜散損失：目前對電動機雜散損失的認識仍然處于研究階段，現(xiàn)今一些降低雜散損失的主要方法有：

（1）采用熱處理及精加工降低轉(zhuǎn)子表面短路；

（2）轉(zhuǎn)子槽內(nèi)表面絕緣處理；

（3）通過改進定子繞組設(shè)計減少諧波；

（4）改進轉(zhuǎn)子槽配合設(shè)計和配合減少諧波，增加定、轉(zhuǎn)子齒槽、把轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計成斜槽、采用串接的正弦繞組、散布繞組和短距繞組可大大降低高次諧波;采用磁性槽泥或磁性槽楔替代傳統(tǒng)的絕緣槽楔、用磁性槽泥填平電動機定子鐵芯槽口，是減少附加雜散損耗的有效方法。 電動機摩擦損失及流動損失：摩擦損失和流動損失以往未得到人們應(yīng)有的重視，它占電機總損失的25％左右。摩擦損失主要有軸承和密封引起，可由

（1）盡量減小軸的尺寸，但需滿足輸出扭矩和轉(zhuǎn)子動力學(xué)的要求；

（2）使用高效軸承；

（3）使用高效潤滑系統(tǒng)及潤滑劑；

（5）采用先進的密封技術(shù)，如有無彈簧的新密封使用情況的報道，稱通過有效減少與軸的接觸壓力，可使以6000 rpm轉(zhuǎn)動的45mm直徑的軸降低損耗近50 W；流動損失是由冷卻風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽引起的，用于產(chǎn)生空氣流動來冷卻電動機。流動損失一般占電動機總損失的20％左右。整個電動機的流體力學(xué)及傳熱學(xué)分析較復(fù)雜，其復(fù)雜程度甚至超過航天飛機部件分析，好的流體力學(xué)和傳熱學(xué)設(shè)計會極大提高電動機的冷卻效率并降低流動損失。 

美國于本世紀初又出現(xiàn)了更高效率的所謂“超高效電動機”。一般而言，高效電動機與普通電動機相比，損耗平均下降20%左右，而超高效電動機則比普通電動機損耗平均下降30%以上。因為超高效電動機的損耗較高效電機有更進一步下降，因此對于長期連續(xù)運行、負荷率較高的場合，節(jié)能效果更為明顯。要實現(xiàn)從普通電機到超高效電機的效率提高，除了增加硅鋼片和銅線的用量以及縮小風(fēng)扇尺寸等措施外，還必須在新材料的應(yīng)用、電機制造工藝以及優(yōu)化設(shè)計等方面采取措施，以控制成本和滿足電機結(jié)構(gòu)尺寸的限制。國外很多企業(yè)在這些方面開展了積極的研究，并取得了一些進展。一般電工鋼片經(jīng)加工成鐵心壓裝入機座后，鐵耗大幅度增加，而英國Brook Hansen公司與鋼廠合作，應(yīng)用一新研制成功的電工鋼片，加工成鐵心制成電機，鐵耗在加工前后變化不大。日本東芝公司是美國高效電機和超高效電機的主要供貨商之一。該公司聲稱由于改進了制造工藝和采用新材料，使高效電機的成本下降了30％，所采取的措施包括:應(yīng)用特殊的下線工具，提高定子槽滿率，增加銅線的截面積;提高制造精度，縮短間隙長度，從而減小勵磁電流及其所引起的銅損;采用轉(zhuǎn)子槽絕緣工藝，降低雜散損耗;采用激光鐵心疊壓工具，使鐵損下降。由于銅比鋁的電阻率降低40%左右，所以如果用鑄銅轉(zhuǎn)子代替鑄鋁轉(zhuǎn)子，電機總損耗將可顯著下降。近年來，國際銅業(yè)協(xié)會在美國能源部的支持下，進行了壓力鑄銅工藝的研究，目前已解決高溫模具的材料以及相關(guān)的壓鑄工藝問題，從而使得有可能較經(jīng)濟地批量生產(chǎn)鑄銅轉(zhuǎn)子電機。2003年6月，德國SEW Eurodrive公司已運用此項壓鑄技術(shù)成功地推出了采用鑄銅轉(zhuǎn)子的齒輪電動機系列。意大利科技教育部組織相關(guān)機構(gòu)開展了鑄銅轉(zhuǎn)子和鑄鋁轉(zhuǎn)子的性能數(shù)據(jù)對比試驗項目。該項目由意大利LAFERT電機公司、Thyssen Krupp鋼鐵公司和法國FAVI鑄銅公司合作進行。試驗在不改變定、轉(zhuǎn)子槽形，僅改變磁性材料和長度的情況下進行，所得的數(shù)據(jù)表明，采用鑄銅轉(zhuǎn)子，可使電動機的能耗在原有基礎(chǔ)上降低15%～25%，電機效率可提高2%～5%。但由于轉(zhuǎn)子電阻降低會引起啟動轉(zhuǎn)矩下降，因此在設(shè)計時應(yīng)進行其他參數(shù)的調(diào)整，以使之在提高效率的同時，滿足其他主要性能指標。