YE4系列超高效率三相异步电动机研发

(重庆赛力盟电机有限责任公司，重庆 401329)

国际电工委员会(IEC)发布的IEC 60034—30“单速、三相笼型感应电动机的能效分级”标准，统一将电动机能效标准分为IE1、IE2、IE3、IE4 4个等级，其中IE1为标准效率，IE2为高效率、IE3为超高效，IE4为目前已正式发布的全球最高的效率等级，行业中习惯称之为超超高效率。IE4比国内普通使用的IE2电机效率平均提高约5%。YE4系列电机是中国自主研发的等同于IE4系列的超高效三相异步电动机。

参考IEC 60034标准，我国也相应制定了新的国家标准《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》(GB 18613—2012)，并从2012年9月1日起已正式开始实施。GB 18613—2012将效率等级分为三级，其效率等级与IEC 60034—30的对应关系如表1所示。

表1 GB 18613—2012与IEC 60034—30对应关系 %

新标准的发布，由于其功率范围的扩大、规格的增多，同时在小功率范围段效率提高较多，而大功率范围段效率原本就已经比较高，效率又再进一步提高，这些因素都增加了研发的难度。IEC 60034—30—1标准按功率分段统计的平均效率的提高幅度对比情况如表2所示。

表2 IEC 60034—30—1标准按功率分段统计的平均效率的提高幅度对比

目前国际上仅有SIMENSE、ABB、WEG等少数知名企业开发了IE4效率等级三相异步电动机部分功率段产品。这表明，IE4效率等级电机的开发，在世界范围内都具有相当高的难度。

中小型电机是世界上使用最为广泛的动力输出源设备，也是电能消耗最大的设备群。据统计，我国电动机电能消耗已占总耗电量的64%以上，工业总耗电量的75%以上，是最大的耗电终端设备。因此，世界上许多国家对电动机系统的节能均给予了高度重视。电机系统节能工程是我国“十一五”期间的十大节能工程之一，也是我国近期实施节能减排既定国策的重点关注领域。自2010年起，高效电机产品列入我国“节能产品 惠民工程”补贴范围。2014年12月国家发改委等7部委联合印发了能效“领跑者”制度实施方案，提出将能效领跑者指标纳入强制性国家标准，鼓励家庭和工业用户购买高效节能产品和设备，要求其市场占有率达45%以上。YE4超高效三相异步电动机被列入“领跑者”队伍，并纳入“能效之星”的评选产品范围。

1 YE4系列关键技术研究

1.1 有限元分析与优化设计技术研究

以YE4效率指标为系列优化设计目标，确定定转子三圆尺寸、定转子槽型尺寸、绕组参数含硅钢片牌号等为约束条件，开展YE4效率等级的系列产品设计。通过对设计技术和关键工艺的研究，借助有限元软件对电机电磁场、流体场、温度场等进行分析[1]，确定了系列化设计的电磁方案、通风散热方案和主体结构方案。

1.2 低损耗绕组技术研究

统计数据表明，H132-355小型三相异步电动机定子绕组铜线材料成本和损耗占比均约为30%。由此可见，合理的绕组设计不但可以降低电机制造成本，而且可以大幅减低电机损耗，提高电机效率，达到环保节能的目的。采用正弦绕组和单双层同心式绕组对降低电机损耗有良好效果[2-3]，尤其是采用不等匝同心式绕组对降低电机损耗和提高电机效率效果更佳。样机试验结果表明，与普通绕组相比，采用不等匝绕组可以有效降低杂散损耗，同时启动电流也在可控范围之内。

1.3 降低转子损耗技术研究

在工程设计中，降低转子损耗虽然有诸多方法，但效果往往差强人意，原因有三点：其一，转子槽型与转子的很多力能指标相关、相互制约；其二，转子属旋转部件，受机械强度约束，转子制造工艺对设计要求满足度较定子低；其三，转子通常内置，参数不易监控，散热条件差，转子慢发热现象不易觉察。

采用转子闭口槽对比试验研究：三相异步电动机由于定、转子齿槽的存在，旋转时会产生脉振损耗。转子采用闭口槽，可削弱气隙谐波磁场的脉动[2-3]，降低谐波磁场的损耗，提高电机效率。采用转子闭口槽，在降低电机杂散损耗和铁耗的同时，会增加转子漏抗，造成功率因数、启动转矩和启动电流的变化。同时闭口槽转子铸铝时容易导致转子导条夹杂气孔，形成细条、断条等质量缺陷。闭口槽桥拱的高度过小，机械强度差，加工困难。表3所示为YE4-225M-2 45 kW闭口槽试验数据。

表3 YE4-225M-2 45 kW闭口槽试验数据(联合开发)

参数样机1样机2样机3样机4槽型半闭口槽闭口槽(Hr0=0.2)H/%93.1893.1593.3093.07COSFI0.9000.9040.9020.902Tst/Tn2.683.012.812.20Ist/In8.568.738.818.27

铸铝转子和铸铜转子对比试验：毋庸置疑，采用铸铜转子是提高电机功率密度、减小体积的最有效途径之一，这在特种电机行业(如新能源汽车电机)得到了广泛应用。就一般工业电机而言，联合开发对比试验结果表明，YE4-132S-4 5.5 kW电机分别采用铸铝转子(大直径)和铸铜转子(小直径)设计，在不考虑有效体积(D2L)的前提下，二者效率指标相当，但铸铜转子电机制造成本高10%左右。

铸铝转子槽绝缘和脱壳工艺研究：铸铝转子电机由于导条和铁芯之间无绝缘，容易产生横向泄漏电流，增加杂散损耗[1]。通常采用铁芯涂覆耐热绝缘材料或磷化处理、转子冲片回火增加氧化膜级脱壳处理工艺等方式增加绝缘电阻。

1.4 工业3D打印技术在YE4电机开发中的应用

工业3D打印开启了全新的设计体验。在新品开发过程中，可应用3D打印电机部分结构件，快速准确出件，大大降低了设计开发成本，缩短设计开发周期。三维软件建模3D打印的风扇最高精度满足电机风路的设计要求，为电机通风散热研究提供了最强有力的支撑。

2 YE4系列社会经济效益分析

YE4系列产品设计主要材料用量成本对比情况见表4。

表4 YE4系列产品设计主要材料用量的成本对比情况

式中：ΔW为节电量；η0为普通效率电机，%；η1为超高效率电机，%；PN为额定功率，kW；H为运行时间，h；Kfz为负载持续率。

若电动机以平均负载率为70%、运行时间3 000 h、平均电费0.8元/kW·h。YE4系列换代投资成本回收周期约为2.3年。

3 结论

1)经过多个规格样机试制，YE4系列各项性能指标达到或优于国家标准和IEC标准。

2)YE4系列成功开发不仅有利于进一步推动中小型电机行业的技术进步，赶超国际先进水平，同时有利于节约能源、改善环境，有利于国家节能减排目标的实现。

3)下一步需要进一步降低产品成本、降低工艺制造难度。