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高效节能电机

作者:C.G. Masi2011.04.27阅读 10810

        环境保护虽然可以唤醒个人和公众的广泛关注,但对于商业决定未免显得苍白无力。公司购买和安装电机需要一个更好的商业理由,努力节省电能以使项目更加具有成本效益。安装更节能的电机以减少能耗能够很好地满足这种诉求。美国新的电机效率标准已经从2010年12月19日开始执行,使用节能电机已成为一种规定。

        当谈及节能电机时控制工程网版权所有,你必须明白这个词实际上就是指带有转子和励磁绕组的传统结构电机。Rockwell Automation公司Kinetix Motion Control的全球产品经理David Hansen说道:“感应电机可以做成标准能效、高能效、超高能效等不同类型,而永磁电机却不能。”
        由于无需使用额外的电能来创造定子磁场,所以永磁电机结构天生就具有更高的效率。Baldor Electric公司交流电机高级产品经理John Malinowski指出:“交流感应电机具有一整个产品族,符合NEMA 超高能效中的NEMA MG 1 中表12-12和12-13要求,以及IEC 60034- 30标准中IE3等级的要求。”
        正是因为这样,我们将讨论仅限于具有铁磁体芯和定子线圈的感应电机,对于永磁体电机的能效特性我们以后再加以讨论。
        Malinowski继续道:“超高能效电机比老式电机的容差更小、更少发热、更少振动、更安静、更耐久。”而且,Bosch Rexroth公司的工业部经理Peter Fischbach说道:“当今交流感应电机的高效率是通过使用新型的开槽和绕线几何学、更优的铁芯材料和铜转子来提升能量转化路径和物理性能来实现的。”

节能电机的效果立竿见影。Baldor提供的图表显示了94.5%能效节能电机和平均效率88%的普通工业电机对比。

        什么使电机效率更高?
        Malinowski说道:“更高效率的关键就是减少损耗。线圈使用更多的铜可以减少定子损耗,更高等级的铁芯硅钢可以减少铁芯上的损耗。更少的损耗意味着制冷所需的电能就更低,这也降低了损耗。”Fischbach补充道:“损耗主要发生在定子和转子上的传导损耗以及铁芯本身的损耗,这些损耗也被称为磁芯损耗或者滞后损耗”
        Hansen列举了一些设计方法,可以使电机具有高能效:
        绕组电阻——随着绕组电阻的增加,电机效率会降低。为了使电机效率最大化,电机的设计人员通过最大化定子槽填充量(定子槽中的铜绕线)和最小化终端绕线半径(电机槽外铜绕线数量)以实现电机效率的最大化。
        叠片材料——磁芯损耗的大小与材料特性和定子叠片所使用铁的质量直接相关。而且,更薄的叠片比较厚的叠片具有更低的定子磁芯损耗。
        叠片齿形几何学——叠片齿形几何学会影响电机内部的磁通密度。能够提供更高磁通密度的齿形几何学可以降低杂散损耗,并因此提高能效。

电机效率取决于与其相联的机械机构的损耗

        系统才是关键
        Fischbach建议道:“大多数工厂自动化和工业应用的目的是高效率地使用能源控制工程网版权所有,带来最高的产出。因此在投资购买电机之类的独立设备之前,分析、建模、优化整个系统是十分有必要的。”
        Malinowski同意道:“使用更好的电机更换低能效的电机很容易www.cechina.cn,但是却未必能获得更高的能效。95%能效的电机与具有90%到95%能效的斜齿-螺旋伞减速机搭配使用可以获得很高的能效,但是与仅仅具有50%到60%的二级减速齿轮系统搭配使用效果就不理想了。”
        Fischbach也同意:“高能效是一个相对的概念,因为我们必须考虑高能效设备对整个系统能效的影响因数控制工程网版权所有,例如循环时间或者产量。例如CONTROL ENGINEERING China版权所有,如果不使用低效率的驱动装置,例如齿轮箱,一台80%能效的直驱扭矩电机比95%能效的伺服电机更加节能——也更能提高产量。”

欧盟更高等级能效的实施日期

上述额定频率之外的电机和ATEX指令的防爆电机不包含在内。

        别做这些事
        Fischbach警告道:“工程师所犯的最大错误就是仅仅注意电机铭牌上的效率,以为具体应用也会达到类似能效。”
        不同的电机具有不同的特性,必须与特定应用匹配,才能使高能效电机物尽其用。例如CONTROL ENGINEERING China版权所有,较为昂贵的超高能效交流感应电机如果长期工作于半载或者空载状态下并不会节省能源。
        Malinowski提供了一个使用一台新型超高效节能电机替换一台离心泵上的老式电机的例子。叶轮尺寸可能是根据老式电机速度设计的,而更高能效的新型电机在同样的负载下很可能会具有更高转速,导致更高的能耗。整个系统也许会具有更高能效,但是所提供的额外转速毫无用处。
        Hansen建议道:“对提高效率确实关心的设计人员们不会想当然地更换一台电机,而是会从整套设备的设计全局考量。如果与设计低劣的机械系统相连,即使一台完美能效的电机也不能带来很大的能源节省。在电机和负载之间的任何机械传动设备都不可避免地具有较低能效。最高精度的行星齿轮减速机构,在全新时也只具有最高90%到95%的效率。蜗杆蜗轮减速箱的能效则更低,只有50%到60%。”
        他总结道:“提高设备效率的终极解决方案是不使用任何机械传动机构,而使用直驱永磁伺服电机。”

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