运动效率得到了新技术的支持:2014年汽车峰会

在过去的20年里，三相、鼠笼式异步(或感应)电动机引领了能源效率的显著提高。这些收益是通过改进设计实现的，例如使用更多的电活性材料和改进电机电路，再加上标准化测试和强制性最低能源性能标准(MEPS)的制定。2014年10月7日至9日，由欧洲和国际能源协会主办，美国国家电气制造商协会(NEMA)联合主办的第五届电机峰会吸引了180名与会者来到瑞士苏黎世(图1)，讨论了高效先进的电机设计。

交流感应电机成为提高效率的目标并不是偶然的，因为它们代表了全球范围内巨大的安装基础。坚固耐用，相对简单的结构，以及通过大量销售的低生产成本使感应电机成为电动机的工业“主力”。电机驱动系统的能源需求约占全球总发电量的46%。

电动机效率的一个简明的观点来自于ie级的名称，定义在国际电工委员会(IEC)标准60034-30“国际效率(IE)等级”。该标准定义了越来越高的效率等级IE1(标准)到IE4(超级溢价)以及所需的标称效率值为0.12- 1000千瓦电机尺寸。所列经费用于ie5级(超高级)。ie5级电机还没有严格的定义，但与IE4级相比，可以将电机损耗降低20%。

到目前为止，MEPS仅在一些选定的国家成为强制性的，并且仅达到IE3级别。一段时间以来，美国一直领导着MEPS的努力，将IE3作为新安装所需的效率级别。加拿大和墨西哥等国紧随其后，其他国家也在着手收养。自2015年1月1日起，欧盟已经实施了IE3等值三个阶段中的第二阶段，但直到2017年1月才会完全符合所有电机尺寸(参考文献1)。目前美国法规涵盖的电机几乎包括所有类型的多相连续工作电机，从1到500马力(0.75
至375千瓦)。

作为参考点，ie3级电机大约相当于美国应用的NEMA高级效率水平。例如，200马力(150千瓦)，4极60赫兹的NEMA高级电机在满载时要求的标称效率为96.2%。类似的160 kW, 4极50 Hz IEC电机必须提供95.8%的标称效率才能达到IE3级。

值得注意的是，随着IE3电机在更多国家成为强制要求，低效率电机不能合法进入市场。然而，整体的转变是缓慢的;在世界范围内，使用的老式、低效率的电机仍占很大比例(参见参考文献1)。

电机制造商一直领先于强制性的效率标准，今天的感应电机设计可以满足IE4的要求。然而，对于一些较小的电机尺寸和IEC框架尺寸，它可能是一个延伸。满足IE4要求的一个有趣的发展是用于SEW Eurodrive和西门子等选择电机型号的压铸铜转子设计。用于使感应电机达到IE4效率水平的各种方法也提高了它们的初始成本。

IE5及以上版本

ie4级感应电机已经证明了非常高的效率，特别是在更大的功率尺寸。尽管如此，汽车开发商和制造商仍在继续展望进一步提高效率，即使在现有水平的基础上，他们的回报正在减少。这就是除了古老的感应电机之外的拓扑结构发挥作用的地方。

主要的替代拓扑包括同步磁阻(SynR)和永磁(PM)交流电机类型。“替代”拓扑结构——采用最新的设计改进——而不是“新”拓扑结构才是正确的观点，因为大多数电机类型都有历史渊源。替代电机设计旨在消除感应电机固有的大量转子I²R加热损失。相反，SynR设计使用具有多个凸极的转子来优化磁通量方向，并在转子转动时产生可变磁阻。顾名思义，PM转子设计在其外表面或内部包含永磁体。SynR和PM电机都有一个类似于感应电机的定子结构。

替代电机的另一个区别是，它们不能直接从线路上运行。也就是说，它们需要电子控制。(实际上，一个“线启动”的变型PM电机存在，但这种混合设计不包括在这里。)与可以直接在线运行的感应电机相比，对电子驱动器的需求对SynR或标准PM电机和驱动“系统”的效率造成了轻微的影响。然而，类似的驱动效率因素适用于越来越多的异步电机控制的变速驱动器。

总部位于加州的JPEAM LLC的顾问John Petro在“电机效率的下一个领域”(参考资料2)的报告中提到了上述电机拓扑结构。他引用了ABB、日立和NovaTorque提供的具有IE5性能的商用和原型产品的例子。

ABB的产品，名为SynRM²，是一种同步磁阻电机，其能量损失比IE4水平降低了20%。它于2014年推出，目标应用在1至15千瓦功率和1000至4000 rpm转速范围内。

NovaTorque提供的铁氧体永磁电机具有创新的几何形状，最大限度地扩大了转子和定子界面的表面积。该设计增强了整个界面的磁通发展，据说即使使用较低成本的磁体，其效率值也超过了IE5标准。

同样是在2014年，日立开发了具有非晶态金属铁芯(定子)的IE5原型电机。据报道，额定11千瓦的电机在满载时可获得96%的能源效率，并在IE4级以下将电机损耗降低30%(见图2)。预计产品将在2015年商业化。

重要的是，上述三个电机示例都使用铁氧体磁体来获得高性能。铁氧体磁体正在经历新的开发努力，以使这种材料与强度更高但价格更高的稀土磁体相比更具竞争力。

Petro表示:“此外，日本、美国、欧洲以及中国正在进行大量工作，以制造符合或超过IE5标准的电机。”IE5以外的电机正在开发中，降低成本是最终目标。”此外，Petro还指出需要定义更高的IE6、IE7和IE8效率等级。他补充说:“有了这些水平，制造商就有了目标，并允许领先制造商在市场上区分他们的产品。”

图3显示了这些扩展的IE级别。请注意，在IE5之后，每个能源类别预期减少20%的损失将需要进一步减少49%的电机损失。这是一个雄心勃勃的预测，但却是一个有价值的目标。

材料、磁铁

在电机设计和相关的效率提高方面，未来最重要的变化可能是什么?佩特罗认为，这将是软磁的使用，如非晶态和纳米晶层压材料。“这已经在日本和亚洲其他地区开始，并可能蔓延到工业电机市场，”Petro说。前面提到的日立电机就是这一举措的一个例子。

葡萄牙科英布拉大学的Anibal De Almeida在题为“先进MEPS的新思路”的报告中也提到了使用非晶态金属磁体作为进一步提高电机效率的途径(参考文献3)。其他电机峰会的发言者也指出了未来几年非晶态金属和低损耗纳米晶体材料对电机磁体的重要性。尽管如此，这些磁铁材料的加工是复杂的，还有大量的工作要完善所需的最佳制造方法。

De Almeida解释说，欧盟委员会最近一项关于能源效率的研究扩大了研究范围，涵盖了三相感应电机以外的技术。同样，主要的候选是同步磁阻和永磁交流电机。De Almeida提到了ABB、日立和NovaTorque最近在市场上推出的ie5口径电机(见上文)，并补充了WEG SA的另一个例子。这款PM交流电机于2014年推出，是WEG W22系列的一部分，据报道在满载时提供96.6%的效率，损耗低于IE4。

高转矩尺寸比一直是永磁交流电机的特点。此前，稀土(RE)磁体一直是提供最高性能的选择。在过去的几年里，稀土磁铁材料遇到了成本非常高和供应不确定性的问题。一种正在探索的替代方法是减少或消除稀土磁铁化合物中最昂贵的元素，如钕和镝。对其他潜在PM材料的研究也在增加。

同时，铁氧体(或陶瓷)磁体提供了另一种选择。这种低成本、丰富的磁铁材料已被广泛使用，但与RE钕铁硼磁铁相比，其功耗密度约为3:1。

广泛的研究和开发已经通过更高级别的化合物，设计改进和创新的电机配置来提高铁氧体磁体的功率。最近推出的新型铁氧体磁铁电机说明了迄今为止所取得的进展。De Almeida说:“低成本铁氧体磁体仍然存在。

部分负荷效率

随着驱动控制下的电机数量的增加，电机在低于满载和速度下运行已成为一个重要的考虑因素。然而，公布的MEPS仅规定满载效率值。比利时根特大学的Steve Dereyne在“总传动系统优化”(参考文献4)的报告中强调了定义部分负载效率的必要性，特别是对于泵和风扇系统。

Dereyne进一步指出，IE4到IE5的效率水平已经使感应电机几乎达到了技术极限。同步磁阻电机再次被认为是一种有前途的替代方案。在一个工业风扇应用测试案例中，SynR电机被评估为标准IE2感应电机的替代品。机器的基本额定功率为11千瓦和1500转。SynR电机给出了很好的效率结果，例如，在额定负载下，效率提高了5%以上，而且与感应电机相比，也保持了优越的部分负载效率。

部分负载电机运行包括在“转换器和电机的效率测量”中，由加拿大魁北克Hydro公司的Pierre Angers提出(参考文献5)。Angers测试了四种类型的75 kW电机(感应、SynR、开关磁阻和PM ac)，由变速驱动器驱动，扭矩和速度组合从100%到10%(20个测试点)。据Angers介绍，PM电机驱动系统在所有速度下都具有最高的综合效率。

Angers说:“PM系统与其他系统的效率差异很小:从100%速度下的4个百分点到25%速度下的8到10个百分点。”“测试结果往往表明，与其他技术相比，PM技术具有普遍的效率优势。SynR是一个净跟随器，在操作范围内效率略低。”

未来电机的影响

其他新技术可能会影响电动机的未来设计。无处不在的3D打印技术就是其中之一——尽管“增材层制造”(ALM)更适合描述这项正在进行的重大发展。

IHS Technology (USA)的工业自动化经理兼高级分析师Alex Chausovsky在他的演讲“汽车市场更新”中总结了3D打印技术的影响(参考资料6)。Chausovsky将ALM称为将对电机技术产生影响的“变相制造过程”。例如，他提出了新的转子设计的可能性，没有传统的层压板。

在接下来的几年里，ALM可能会应用于严重的工业制造应用，与各种金属和其他与电动机相关的工业材料一起工作。Chausovsky提到了ALM能够处理不锈钢、镍和其他合金以及陶瓷等材料。

即将在较短的时间内举行的另一场技术会议将讨论电机系统效率，并与电机峰会相关。这次会议是EEMODS(电机驱动系统的能源效率)，它在峰会之间轮流举行。下一个活动，EEMODS ' 15，计划于2015年9月15日至17日在芬兰赫尔辛基举行。

- Frank J. Bartos，体育，是一个控制工程贡献内容专家。联络他的地址是braunbart@sbcglobal.net

在线

www.iec.ch

www.industry.usa.siemens.com/drives/us/en/energy-efficiency/Documents/Copper_Rotor_Motors-Case_Study.pdf

www.seweurodrive.com/dr-motor/philosophie.html

www.abb.com/cawp/seitp202/ad26393b09a61275c1257caf00217a16.aspx

www.novatorque.com

www.hitachi.com/rd/portal/news/h/2014/0709.html

www.weg.net

www.eemods15.info

关键概念

• 替代电机设计寻求消除感应电机固有的I²R转子加热损失。
• 铁氧体磁铁与昂贵得多的稀土磁铁竞争。
• 非晶金属和纳米晶磁体可能是电机设计和效率提高的下一个突破。

考虑一下这个

电机驱动系统的能源需求约占全球总发电量的46%。

在线额外

引用自2014年汽车峰会，包括11月/ 12月的这篇报道的第一部分。2014年控制工程．

1。”2014电机峰会:能源效率的焦点是整体电机系统“//www.globalelove.com/single - article/motor峰会- 2014 -能源-效率- -是关注总systems/802eb6f9fcd45502070d2a4aa87597c0.html——电动机

2.JPEAM有限责任公司的约翰·佩特罗(John Petro)说:“电动机效率的下一个地平线。

3.“先进MEPS的新想法，”Anibal De Almeida，葡萄牙科英布拉大学ISR

4.“考虑VFD驱动电机、传动和负载的工业风扇和泵的总传动系统优化，”比利时根特大学的Steve Dereyne说

5.“转换器和电机的效率测量的最新结果，”Pierre Angers，加拿大魁北克水电公司

6.“汽车市场更新”，IHS Technology的Alex Chausovsky说

2014年汽车峰会的完整计划和会议记录也可获得。

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。