溫總理在“政府工作報(bào)告”中提出了“今年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低4％左右”的節(jié)能宏觀調(diào)控目標(biāo)，從而將節(jié)能提至前所未有高度。對(duì)電機(jī)行業(yè)來講，量大而廣的中小電機(jī)，其所消耗的電能約占全國發(fā)電量的60～70％，是最大的耗能大戶，因此中小電機(jī)的節(jié)能是電機(jī)行業(yè)面臨的嚴(yán)峻課題，也是電機(jī)行業(yè)發(fā)展的新機(jī)遇。

    一、中小型異步電動(dòng)機(jī)行業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

    現(xiàn)狀

    (1)目前中小型電機(jī)產(chǎn)量較高的省市依次為山東、江蘇、河北、上海、浙江、廣東和遼寧，可見企業(yè)大多集中在沿海地區(qū)。

    (2)由于新興的民營企業(yè)以及合資、外資企業(yè)的發(fā)展，使中小型電機(jī)行業(yè)中，國有企業(yè)的比重下降，而且中小型電機(jī)的產(chǎn)量逐步向“生產(chǎn)大戶”集中。

    (3)中小型電動(dòng)機(jī)已完整地建立了三相異步電動(dòng)機(jī)Y、Y2、Y3系列。

    1985年迅速推廣了Y系列及其派生系列產(chǎn)品，其功率范圍為0.55～250KW，機(jī)座中心高為80～315。通過引進(jìn)消化美國西屋公司和瑞士BBC公司的技術(shù)，自行研發(fā)的Y系列6KV、220～2800KW中型高壓三相異步電動(dòng)機(jī)，采用新穎的箱式結(jié)構(gòu)，是目前國內(nèi)中型高壓電機(jī)的主導(dǎo)產(chǎn)品，以后又隨著我國電網(wǎng)電壓由6KV升高到10KV，又研發(fā)了10KV系列中小型高壓異步電動(dòng)機(jī)。

    1996年以電科所為首組織有關(guān)廠家完成了Y2系列的開發(fā)，功率范圍為0.12～315KW，機(jī)座中心高為63～355。該系列產(chǎn)品顯著降低了空載噪聲，有效抑制了負(fù)載噪聲。

    2003年電科所組織有關(guān)廠家又完整地建立了全系列采用冷軋硅鋼片的Y3系列，其能耗達(dá)到國標(biāo)GB18163－2002中能耗限定值的規(guī)定，同時(shí)也達(dá)到歐洲eff2效率標(biāo)準(zhǔn)，并且主要性能指標(biāo)達(dá)到國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

    發(fā)展趨勢(shì)

    a進(jìn)一步推廣高效率異步電動(dòng)機(jī)

    1992年美國能源部發(fā)布了新的能源法規(guī)，提出了高效率三相異步電動(dòng)機(jī)的效率標(biāo)準(zhǔn)（即EPACT指標(biāo)），并規(guī)定從1997年10月24日開始，凡制造和進(jìn)口一般用途電動(dòng)機(jī)效率必須符合這一標(biāo)準(zhǔn)。以后又更進(jìn)一步提出超高效率電機(jī)（NEMAPremium）。1999年歐洲電機(jī)和電力電子制造商協(xié)會(huì)（CEMEP）制定了eff1、eff2、eff3三個(gè)等級(jí)的效率標(biāo)準(zhǔn)，并決定到2003年削減50％低于eff3標(biāo)準(zhǔn)水平的電機(jī)生產(chǎn)，2006年以后不再生產(chǎn)。

    我國也于2002年8月正式實(shí)施《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及節(jié)能評(píng)定值》的國標(biāo)（GB18163-2002）。因此借著節(jié)能的規(guī)劃和“以冷代熱”的法令，應(yīng)該大力推廣Y3新系列，使之成為我國低壓三相異步電動(dòng)機(jī)的主導(dǎo)產(chǎn)品，且新一輪的派生系列產(chǎn)品也應(yīng)在Y3新系列上展開。

    b進(jìn)一步推廣變頻器供電的三相異步電動(dòng)機(jī)系列的研發(fā)與應(yīng)用

    近年來，國民經(jīng)濟(jì)各部門對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵需求不斷增長(zhǎng)，據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，全國風(fēng)機(jī)、水泵電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘考s35000MW，耗電量約占全國電能耗量的40％左右。
 
    以火力發(fā)電廠為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)全國火力發(fā)電廠的送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、排粉風(fēng)機(jī)、鍋爐給水泵、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵和灰漿泵等的配套高壓電動(dòng)機(jī)總?cè)萘考s為15000MW，這些設(shè)備為長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行但常處于低負(fù)荷及變負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)，因此其節(jié)能潛力很大。據(jù)估計(jì)通過變頻器調(diào)速提高風(fēng)機(jī)、水泵系統(tǒng)運(yùn)行效率的節(jié)能潛力每年可達(dá)300～500億度，相當(dāng)于6～10座裝機(jī)容量為1000MW級(jí)的大型火力發(fā)電廠的年發(fā)電總量。因此大力推廣變頻器特別是高壓變頻器的應(yīng)用是十分有意義的。目前國際上對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的研究非常活躍，變頻器種類繁多。我國高壓電動(dòng)機(jī)多為6KV和10KV等級(jí)，由于受到電力電子器件耐壓限制，尚難以實(shí)現(xiàn)該等級(jí)變頻器的直接高壓輸出。而單元串聯(lián)式多電平變頻器的輸出電壓可達(dá)到10KV甚至更高，且輸入、輸出波形好，對(duì)電網(wǎng)的諧波污染小，因此在我國得到廣泛應(yīng)用。國際上該技術(shù)比較成熟，輸出電壓可達(dá)14.4KV，變頻器采用水冷技術(shù)，單機(jī)最大容量可達(dá)15000KW。我國采用空冷技術(shù)，變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)功率在3500KW以下。

    國外變頻器基本已做到開環(huán)、閉環(huán)以及無速度傳感器控制三位一體的控制，而我國的產(chǎn)品大多仍是普通的V/F控制方式。業(yè)內(nèi)在變頻器調(diào)速系統(tǒng)方面已開展了許多研究，當(dāng)務(wù)之急是如何將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為工業(yè)產(chǎn)品，提高我國變頻器的性能和質(zhì)量。

    變頻器發(fā)展對(duì)與之配套的電動(dòng)機(jī)提出了新的要求。以往對(duì)配套電動(dòng)機(jī)的研究，主要在減小變頻器供電電源的諧波分量所引起的電動(dòng)機(jī)損耗增加、溫升升高、振動(dòng)加大、噪聲增大以及諧波轉(zhuǎn)矩增大等方面。近年來，隨著IGBT在變頻器中的應(yīng)用，載波頻率甚至高達(dá)20K，由此帶來一系列負(fù)面影響，如高頻的PWM脈沖波嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)的絕緣和壽命，變頻器輸出的共模電壓，形成軸電流，造成軸承點(diǎn)蝕，從而縮短電動(dòng)機(jī)壽命。對(duì)此電科所及有關(guān)廠家已完成了YVF2系列變頻專用電機(jī)的開發(fā)，并完成了《使用納米技術(shù)的新型耐高頻脈沖電磁漆線》的項(xiàng)目，該種漆包線耐受高頻脈沖能力為普通線的51倍。

    此外變頻電動(dòng)機(jī)的供電電源經(jīng)高頻調(diào)制，其性能測(cè)試方法不同于工頻電機(jī)，急需研制適合變頻電機(jī)性能測(cè)試的方法和檢測(cè)儀器。

    二、永磁同步電動(dòng)機(jī)的典型應(yīng)用與前景

    永磁同步電動(dòng)機(jī)發(fā)展的條件

    (1)高性能低成本的釹鐵硼永磁材料具有剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、矯頑力和磁能積均高的特點(diǎn)，自上世紀(jì)80年代以來，又成功解決了釹鐵硼材料的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕問題，因此用于同步電動(dòng)機(jī)可省去激磁繞組，因無激磁損耗，從而降低了功耗、發(fā)熱，提高了電機(jī)效率和功率因數(shù)；由于無需集電環(huán)和炭刷，也簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

    (2)電力電子器件和技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展了各種高性能變頻器和專用變頻器，解決了同步電動(dòng)機(jī)無法自起動(dòng)問題，使復(fù)雜的阻尼導(dǎo)條和端環(huán)得以取消。

    (3)易于實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制的矢量變換控制，使永磁同步電動(dòng)機(jī)具有和直流電動(dòng)機(jī)一樣優(yōu)良的線性轉(zhuǎn)矩控制特性。

    (4)DSP快速數(shù)字信號(hào)處理器和各種高性能專用伺服驅(qū)動(dòng)器為各種復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

    永磁同步電動(dòng)機(jī)發(fā)展的機(jī)遇

    (1)更高的綜合節(jié)能效果

    永磁同步電動(dòng)機(jī)由永磁體激磁，無需勵(lì)磁電流，故可顯著提高功率因數(shù)（可達(dá)1甚至容性）；定子電流小，定子銅耗顯著減??；轉(zhuǎn)子無銅耗（三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組損耗約占總損耗的20～30％），因而發(fā)熱低，可以取消風(fēng)扇或減小風(fēng)扇，從而無風(fēng)摩耗或減少風(fēng)摩耗，故永磁同步電動(dòng)機(jī)一般比同規(guī)格異步電動(dòng)機(jī)效率可提高2～8％，并且在很寬的負(fù)載變動(dòng)范圍內(nèi)始終保持高的效率和功率因數(shù)，尤其在輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更顯著。

    (2)可滿足某些工業(yè)應(yīng)用需大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的動(dòng)態(tài)需求

    常規(guī)異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)都有限，為達(dá)要求，需選擇更大容量的異步電動(dòng)機(jī)，而到了正常運(yùn)行狀態(tài)，異步電動(dòng)機(jī)則又處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，效率和功率因數(shù)均較低。例如為油田抽油機(jī)設(shè)計(jì)的具有異步起動(dòng)能力的永磁同步電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)可達(dá)3.6倍以上，效率可達(dá)94％，功率因數(shù)可達(dá)0.95，既滿足了負(fù)載動(dòng)態(tài)時(shí)大轉(zhuǎn)矩的要求，還具有很高的節(jié)能效果。

    (3)低速直接驅(qū)動(dòng)的需求

    為了提高控制精度、減小振動(dòng)噪聲、杜絕油霧帶來的不安全，也為了大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)的需求，近年來對(duì)低速電動(dòng)機(jī)的需求也不斷增長(zhǎng)。如用于電梯拖動(dòng)的永磁同步曳引機(jī)，轉(zhuǎn)矩提高了十幾倍，取消了龐大的齒輪箱，通過曳引輪直接拖動(dòng)轎廂，明顯減小了振動(dòng)和噪聲。又如船用吊艙式電力推進(jìn)器，將低速大轉(zhuǎn)矩的永磁同步電動(dòng)機(jī)置于船艙外的吊艙，無需原來的傳動(dòng)系統(tǒng)，直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，實(shí)現(xiàn)船舶的運(yùn)行和控制。這是船舶驅(qū)動(dòng)技術(shù)的又一發(fā)展，國外自上世紀(jì)九十年代已成功用于豪華郵輪、專用油輪等。西門子公司吊艙式推進(jìn)器中PMSM容量已達(dá)30000KW。

    (4)多極高功率因數(shù)的需求

    近年來，永磁同步電動(dòng)機(jī)朝著多極化發(fā)展，多極電機(jī)可顯著減小定、轉(zhuǎn)子鐵心軛部高度，從而減小電機(jī)體積、減少鐵心用量。多極電機(jī)還顯著減小了定子端部長(zhǎng)度，減小定子銅耗、從而減少發(fā)熱、提高了效率。如某安裝于轎廂和井壁間隙的永磁同步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子采用60極結(jié)構(gòu)，顯著縮短了定子線圈端部長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)無機(jī)房電梯。若仍用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，隨著極數(shù)增加，其功率因數(shù)明顯降低，在輕載和空載時(shí)，功率因數(shù)將更低，因此在Y型系列電機(jī)中，10極電機(jī)已不多見。而該60極永磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)高達(dá)0.98，空載、輕載時(shí)甚至可達(dá)1，節(jié)能效果明顯。

    (5)高功率密度的需求

    艦船、車輛受體積所限，要求電動(dòng)機(jī)要有高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度。永磁同步電動(dòng)機(jī)由于無需激磁繞組，空間結(jié)構(gòu)小，高性能的釹鐵硼永磁材料具有高剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和高矯頑力，從而可提供很高的磁負(fù)荷Bδ，使電機(jī)尺寸縮小。有些并聯(lián)供磁的電機(jī)，Bδ甚至可高達(dá)1特斯拉以上。傳統(tǒng)電機(jī)的齒槽結(jié)構(gòu)，約束著磁負(fù)荷和電負(fù)荷的關(guān)系，過高的磁負(fù)荷將減小放置繞組的空間，成為實(shí)現(xiàn)高功率密度的瓶頸。1986年德國H.Weh教授首先提出橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)（TransverseFluxPMMachine－TFM）的設(shè)想，該設(shè)想一反傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使電機(jī)的磁負(fù)荷和電負(fù)荷不再相互制約，特別適合高功率密度、大轉(zhuǎn)矩、低速和直接驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合。橫向永磁電機(jī)我國目前還處于實(shí)驗(yàn)研究階段。英國研制的用于艦艇的橫向磁場(chǎng)電機(jī)，功率達(dá)10MW，轉(zhuǎn)速為180r/min。此外橫向磁場(chǎng)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電和海洋潮汐發(fā)電中也有應(yīng)用。

    (6)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的需求

    目前電氣傳動(dòng)技術(shù)已從簡(jiǎn)單的速度控制發(fā)展到運(yùn)動(dòng)軌跡控制。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)更易于實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向矢量變換控制，因此近年來永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)成了高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等高科技設(shè)備的主流。在某些場(chǎng)合，甚至實(shí)現(xiàn)了100000∶1的調(diào)速范圍和小于1～2％的低速轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。外國產(chǎn)品幾乎占據(jù)了國內(nèi)所有市場(chǎng)，功率一般為20W～15KW。我國交流伺服電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，尚處在發(fā)展初期。

    此外機(jī)械加工設(shè)備的更新，需要各種永磁同步電動(dòng)機(jī)，日本已推出0.75KW～500KW的中小型永磁同步電動(dòng)機(jī)系列，適應(yīng)各種驅(qū)動(dòng)的要求。

    隨著對(duì)機(jī)械加工技術(shù)的高速和超高速化、精密和超精密化的需求，具有高速反應(yīng)能力的直線驅(qū)動(dòng)伺服技術(shù)─所謂零傳動(dòng)方式應(yīng)運(yùn)而生。由于消除了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)鏈所具有的一系列不良影響，因而極大地提高了進(jìn)給系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力和運(yùn)動(dòng)精度，成為新一代數(shù)控機(jī)床中最具代表性的先進(jìn)技術(shù)之一。目前國外采用直線電機(jī)的伺服系統(tǒng)可達(dá)到小于0.01μm/min或高達(dá)300m/min的運(yùn)行速度，速度偏差優(yōu)于±0.01%。如西門子公司的永磁式直線同步電動(dòng)機(jī)最大移動(dòng)速度為200m/min，最大推力達(dá)6600N，最大位移為504mm，應(yīng)用于高速銑床、曲柄車床、超精密車床等。直線電機(jī)伺服系統(tǒng)亦還有著需進(jìn)一步研究的問題，如直線電動(dòng)機(jī)是直接驅(qū)動(dòng)被控制對(duì)象，系統(tǒng)沒有任何中間緩沖過程，參數(shù)攝動(dòng)、負(fù)載擾動(dòng)等不確定因素將增加控制難度等。

    我國稀土資源豐富，稀土儲(chǔ)量為世界其它各國儲(chǔ)量的4倍，稀土材料是永磁材料的主要成分，為此充分發(fā)揮我國稀土資源的優(yōu)勢(shì)，大力開展和推動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用和研究，對(duì)節(jié)能和滿足上述各種需求是具有重大戰(zhàn)略意義的。

來源：世界儀表與自動(dòng)化雜志
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