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先进电机设计提升运动控制效率

来源:控制工程网2015.10.11阅读 2525

  过去20年,三相笼型异步电动机发生了引人注目的能源效率提升。这一切都来源于设计的改进——比如利用更好的电活性材料,以及电机电路的进步,以及标准化的测试和最低能效标准(MEPS)的颁布。
  由于在全世界范围内巨大的装机量CONTROL ENGINEERING China版权所有,交流感应电机毫无悬念的被选作效率提升的对象。相对粗犷、简陋的结构,比较低的生产成本,再加上巨大的销售量,使得感应设备成为工业界电动机的“主力”。电动机驱动系统所消耗的能源占到全球所有电能产量的46%。
  其中一个关于电动机效率的清晰概念来源于IE等级定义,在国际电工技术委员会(IEC)的标准60034-30“国际效率等级”中有详细的定义。该标准按照从低到高的顺序依次定义了效率等级IE1(标准)到IE4(最高级),以及从0.12到1000kW规格电机所要求达到的效率值,此外还规定了IE5等级(超高级)。IE5等级的电机还没有严格的定义,但是建议其电机损失要比IE4等级的小20%。
  到目前为止控制工程网版权所有,MEPS仅仅被部分国家选择作为强制标准,而且仅仅到IE3等级。在MEPS的应用方面,美国处在领先地位,在某些情况下,IE3是新安装设备所必须满足的等效等级。加拿大和墨西哥还有其它国家,紧随其后,还有一些国家在正在努力接受该标准。
  在2015年1月1日,欧盟已经开始实施迈向IE3的三个步骤中的第二阶段,但是直到2017年1月,所有规格的电机才会完全符合该标准的要求。目前美国监管条例所覆盖的电机包括所有的从1 到500 hp (0.75到 375 kW)的连续运行多相电机。
  作为参考,IE3等级的电机大概对应于美国使用的NEMA(美国电气制造协会)高级效率水平。例如,一台200 hp (150 kW), 4极60 Hz NEMA的高等级电机,在满负荷时,其名义效率应达到96.2%。一台功率为160kW左右、4极50 Hz的IEC电机,其名义效率能够达到95.8%,那它就是IE3等级。
  需要注意的是,IE3等级的电机未来将在更多的国家成为强制标准,较低效率的电机则不能合法的进入到市场。这将是大势所趋,尽管在全世界范围内老的、低效的电机仍然占有很大的比例。一些大型的电机制造商在强制效率标准方面保持领先,其感应电机的设计能够满足最高IE4的标准。但是对于某些小型号的电机而言,可能需要假以时日。在满足IE4标准方面,一个比较有意思的进展是压铸铜转子设计,该设计被用于从SEW欧洲驱动、西门子以及其它厂家选择电机模型的。很多不同的方法都可以使感应电机满足IE4的效率要求,不过其初始费用也会相应的提高。
  IE4等级的感应电机已经被证明具有非常高的效率,尤其是在大型动力方面。电机的开发人员和制造商已经开始展望未来,开始着手寻求更高的效率CONTROL ENGINEERING China版权所有,即使是在面临着效益递减的情况下依然如此。
  这意味着拓扑结构的电机设计可以大展拳脚了。最主要的替代拓扑结构包括同步磁阻(SynR)和永磁(PM)交流电机类型。采用“替代”拓扑进行最新的设计优化,而不是“全新”拓扑,是正确的观点,因为大多数的电动马达类型都有其历史渊源。
  交流电机的设计,寻求消除转子巨大的IR热量耗散,而这对于感应电机来讲是与生俱来,无法消除的。相反,SynR设计利用带有多个凸极的转子,来优化磁通的方向,在转子转动时,产生可变的磁阻。PM电机的设计采用了永磁体,或者是在外壳,或者是在内部。不管是SynR 转子还是PM转子,都有一个与感应电机类似的定子结构。
  交流电机的另外一个不同是:不能直接从线上运行。也就是说,它们需要电子控制。由于需要实现电子驱动,相对于可以直接从线上启动的感应电机来讲,对SynR和标准PM电机和驱动“系统”的效率产生了一定的负面影响。类似的驱动效率因子,也越来越多地应用到由变频驱动控制的感应电机上。
  John Petro,是位于美国加利福尼亚州JPEAM公司的咨询员,其在2014电机峰会(Motor Summit)上关于 《更高水平的电动机效率》 的演讲中,提到了电机拓扑。他引用了ABB、Hitachi和NovaTorque公司开发的具有IE5效率等级的商业和原型产品作为实例。
  ABB公司的产品,被命名为SynRM,是同步磁阻电机,其能源损失比IE4等级降低20%。在2014年,该系列的产品被投入到市场,额定功率范围为1~15kW,转速为1000~4000。
  NovaTorque公司所提供的铁氧体PM电机,其创造性的几何形状,可以最大化转子的表面区域和静子接口。该设计提升了在接口通过的磁通量,据说即使在使用价格较低的磁体的情况下,其效率值也已经超过了建议的IE5等级。
  同样在2014年,Hitachi公司也开发了一款IE5等级的原型电机,该电机具有非晶金属核心(静子)。据报道,该11kW等级的电机在满负荷时,获得了96%的能源效率,电机损失比IE4等级减少了30%(参见图 1)。预计该产品将会在2015年实现商业化。


图1:非晶金属核心设计使得Hitachi公司的11kW IE5原型电机能够达到其所声称的效率改进。

  在上述三个例子中,电机都使用了铁氧体磁铁来实现高性能。在铁氧体磁铁方面,正在投入更多的努力,以便在和强度更大但是价格更高的稀土磁体的竞争中更具优势。
  此外,“在日本、美国、欧盟,可能还有中国,正在做大量的研究工作,试图使电机满足或超过IE5标准。比IE5等级更高的电机正在研发中,最终目标是降低费用。” Petro指出,有必要定义IE6、IE7、甚至IE8等更高的能效等级。他补充道,“如果有了这些能效等级,企业就有了追求的目标,这样领先的制造商在市场上就可以将它们的产品与其它厂家的拉开距离。”
  图2显示的是扩展的IE等级。需要注意的是在IE5之上,期望每个能效等级会减少20%的能效损失,也就是说在电机损失上要进一步降低49%。这就需要一个野心足够大、但是值得去努力的目标。


图2:未来的电机效率水平IE6到IE8也被添加到该图中,因为它们与目前在一些国家强制执行的IE2和IE4水平有关联。图中还展示了IE5等级的预计效率以及3个IE5等级的电机产品。

  新材料与性能
  在电机设计以及相关的效率提升方面,最有可能发生的变化是什么?Petro认为是软磁体的应用,比如非晶体、或纳米晶体碟片材料,“在日本以及亚洲的其它地方,这已经开始了,并且有可能蔓延到工业电机市场”。Hitachi电机就是一个例子。
  葡萄牙Coimbra大学的Anibal De Almeida认为,非晶金属磁体的应用是电机效率提升的一个发展趋势。这个观点也得到了其他一些专家的认可,在未来数年内,用于电机磁体的非晶金属材料以及低损纳米材料的重要性将得到提升。这些磁体材料的处理工艺复杂,为了实现所需的最优生产制造方法,还有很多基础工作要做。
  De Almeida解释道,在最近发布的欧盟委员会关于能源效率的研究报告中,已经涵盖三相感应电机以外的技术。同步感应和永磁交流电机再一次成为主要候选对象。最近市场上满足IE5能效等级的电机,主要来自于ABB、Hitachi和NovaTorque公司(见图2),此外还增加了一款WEG SA产品。该PM交流电机在2014年投入市场,是WEG公司 W22系列产品的一部分,据报道在满负荷时具有96.6%的效率,而损失要比IE4要低。
  高扭矩比例曾经是PM交流电机的一个参数。在早期,稀土磁体是实现高性能的一个选择。在最近几年,稀土磁性材料的价格已经非常高,而且供应不稳定。其中一个替代的方案是寻求减少、或消除价格昂贵的稀土材料成分,比如钕、镝等材料。对其它可能的PM材料的研究也在逐步增加。
  铁氧体(或陶瓷)磁铁提供了另外一种选择方案。这种低成本、供应充足的材料应用广泛, 但是和钕铁硼磁铁相比,减少了3倍的功率密度。
  在提升铁氧体磁铁方面,已经进行了大量的研究工作,包括高等级的复合、设计优化和创新的电机配置,并获得了一些进展。新的铁氧体磁铁电机代表目前在此方面的进展。“低成本铁氧体磁铁的使用日益广泛。” De Almeida说道。
  随着驱动器控制的电机数量的不断增加,在非满负荷运行时,电机的转速成为一个非常重要的考量因素。然而,发布的MEPS仅仅描述了满负荷时的数值。在题为“传动系统的总体优化”的报告中,比利时Ghent大学的Steve Dereyne强调了定义部分负荷效率的重要性——对泵和风机系统更是如此。IE4和IE5的效率水平,几乎已经达到感应电机的技术极限。同步感应电机,作为大有希望的替代品,再次被提及。
  在某个工业风机应用测试案例中,将SynR作为标准IE2感应电机的替代方案进行了评估。设备的基本等级为11kW和1,500 rpm。SynR电机给出了期望的效率结果,并且相对感应电机需要保持较高的部分负荷效率。
  加拿大Hydro Quebec公司的Pierre Angers测试了4种75 kW类型的电机(感应电机、SynR电机、开关磁阻电机和PM交流电机),这些电机都由变频电机驱动,力矩和转速的组合从100%变化到20%(共20组测点)。
  根据Angers的报告,在所有转速下,PM电机驱动系统具有最高的组合效率。“PM系统的效率和其它系统效率的差异很小:从在100%转速的4%上升到25%转速时的8~19%,” Angers说,“测试的结果证明了从整体上来讲,相对于其它技术,PM电机具有一定的效率优势,SynR紧随其后,在整个运行范围内的效率稍低。”
  未来电机的构想
  其它的新技术也有可能影响未来的电机设计。3D打印技术其中之一,尽管“零增材制造”可能是其更确切的描述。
  美国IHS 技术公司的经理和工业自动化的高级分析师Alex Chausovsky将“增材制造”视为“变革中的生产制造过程”,认为其将可以影响电机技术。他建议新转子的设计制造不要基于传统的“层叠制造技术”。
  在未来几年www.cechina.cn,3D打印技术将会利用各种不同的金属以及其它与电机相关的工业材料www.cechina.cn,实现不同的工业生产应用。3D打印将可以利用不锈钢、镍、陶瓷以及其它材料来实现制造。(作者:Frank J. Bartos)

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