高效电机的5种技术路线

（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，工业和信息化部、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MCU、DSP等微处理器，MOSFET和IGBT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。