SEAD全球超高效竞赛电机的研发

玉佳彬

(南阳防爆集团股份有限公司，河南 南阳 473008)

SEAD全球超高效竞赛电机的研发

玉佳彬

(南阳防爆集团股份有限公司，河南 南阳 473008)

介绍了超超高能效设备电器推广项目(SEAD)全球超高效竞赛对电动机的具体要求。对南阳防爆的获奖电动机的研发思路进行了概述，并详细介绍了获奖电机提高能效水平采取的主要方法。

SEAD； 全球超高效产品大奖赛； 电机

0 引 言

超超高能效设备电器推广项目(Super-efficient Equipment and Appliance Deployment，SEAD)英文全称的缩写，是一项自愿的国际合作项目。SEAD国际大奖赛由清洁能源部长级会议和国际能效合作伙伴关系组织共同发起，旨在通过全球知名电气企业的同台竞技，实施国际超超高能效电气设备推广项目，推进电气设备能效提升计划，加速传统能源向清洁能源的转型，是由包括美国、澳大利亚、英国等国家在内的16个国家参与的一项行动。

1 2014年度SEAD国际能效大赛

SEAD全球超超高效产品大奖赛将通过以下方式倡导效能改进：

(1) 评选出能效最高的产品；

(2) 指导采购商如何购买最高能效的直接替代电机；

(3) 展示异步电机和新技术电机可达到的能效水平。

1.1 奖项类别和比赛地区

2014年，大奖赛从澳大利亚、欧洲、印度和北美这四大地区中评选出15款能效最高的不同规格类别的ICE和NEMA异步电机。

鉴于输出功率在0.75kW(1HP)～375kW(500HP)的中小型电机的用电量占电机用电总量的68%，以有助于实现最大限度节能为宗旨，综合体现在全球四大地区中电机的差异，定位于蕴藏重大节能潜力并拥有较高市场占有率的电机为原则，确定电机规格选型。

由于电机在多数应用中都必须处于低负载下运行，因此，大奖赛将在提名IEC和NEMA异步电机的不同负荷运行工况下(25%、50%、75%及100%负荷)对其进行评估。

第3届SEAD全球能效竞赛从4个区域内选出性能最好的异步和新技术电机。竞赛还向表现最好的4kW和11kW的异步电机，以及最大输出为75kW的、最具降低能耗潜力的新技术电机颁发国际奖。

1.2 IEC异步电机性能要求

合格的IEC异步电机提名产品还必须满足如下条件：

(1) 单速、三相、笼型异步电机(IEC 60034-1 Ed.112.0);

(2) N设计(IEC 60034-12 Ed.2.1 §5.2);

(3) 外壳防护等级IP54；

(4) S1连续性工作制(60034-1 §4.2.1)；

(5) 直接在线起动；

(6) 4极；

(7) 额定电压为230～600V；

(8) 额定频率为50Hz。

1.3 NEMA异步电机

合格的NEMA异步电机提名产品必须满足如下条件：

(1) 通用交流电机(NEMA MG-1 2011 §1.6.1)；

(2) 多相笼型异步电机(MG-1 §1.18.1.1)；

(3) 恒速电机(MG-1 §1.30)；

(4) NEMA B设计(MG-1 §1.19.1.2)；

(5) 全封闭扇冷(MG-1 §1.26.2)；

(6) 额定连续工作制(MG-1 §1.40.1)；

(7) 4极；

(8) 额定电压为230～600V；

(9) 额定频率为60Hz。

新技术电机提名产品必须满足如下条件：

(1) 包括永磁同步电机、电子整流电机，或磁阻同步电机；

(2) IP54防护等级；

(3) 额定持续工作制或S1工作制。

1.4 参赛条件

所有电机生产商都可以申请参赛。若某一区域销售的产品符合提名要求，则申请人(参展商)可在该区域提名产品，而无须考虑其生产商位于何处。

参评异步电机类的申请人(参展商)在每个地区奖分类下只提名一种产品。所有申请地区奖的4kW和11kW异步电机都有机会参评国际奖(申请人不得直接申请国际奖)。一位申请人(参展商)可在所有地区奖分类下提名IEC异步电机，并有可能获得所有地区和国际奖。

2 南阳防爆参赛样机的研发情况

南阳防爆参赛样机情况介绍如下。

(1) 南阳防爆报名参加澳大利亚、北美两个地区的奖项的竞赛，具体型号如表1所示，其中澳大利亚赛区选送的规格获得了全球奖。

表1 南阳防爆参赛电机具体型号

(2) 南阳防爆参赛样机的实测效率和加权效率值如表2所示。

表2 南阳防爆参赛样机的实测效率和加权效率

表2中的实测效率值为南阳防爆试验站按IEEE112B法测得的效率，起动性能指标均符合N设计(IEC电机)、NEMA B设计(NEMA电机)的要求。

该竞赛项目考核的目标不仅仅是100%负载下的效率，同时要考核起动特性、不同负载点下综合加权效率。竞赛是对电机的电磁性能、电机运行时的状态及节能效果几方面的综合考评。

要达到竞赛的目标，就必须在电磁设计上保证可变损耗和不变损耗的相对关系，合理调整最高负载区间，同时在电机结构、加工工艺、检测水平上进行了提升，保证电动机实际的杂耗、机械损耗及铁耗要符合电动机电磁设计中的预期目标。

本次竞赛电机提高能效水平主要采取的方法如下所述。

(1) 采用铸铜转子有效降低转子损耗。南阳防爆通过多年与国际铜业、云南压铸科技有限公司合作，已掌握了铸铜转子技术及其对电动机各项性能的影响，铸铜技术及其相关产品已申请了多项国家专利。

通过计算，如果直接采用原铸铝设计方案，仅仅将转子导条材质铝改为铜，会造成效率裕度过高、起动电流超标、起动转矩不合格，成本增加8%～9%；故该方案不可取。

要合理运用铜转子技术，应从转子槽形的优化着手，设计出适用于铜的转子冲片，以达到整机最优的性能。基于同等效率水平，考虑铜转子电机转子损耗小、散热好的特点，在设计时铜转子电机的磁密、电密的设计值均大于铝转子电机，设计时相对提高电机的电磁热负荷，提高材料的利用率。

(2) 硅钢片退火工艺的运用。在高效电机制造中对硅钢片采用退火处理工艺，其高导磁性能已在国内外电动机行业中达成共识。

高效电机采用的冷轧硅钢片在出厂时均具有良好的导磁性能和低损耗的特性，但由于对冲槽应力敏感性，及由于齿槽存在气隙齿谐波磁场，所以在铁心表面引起空载高频损耗，导致电机试验后，铁耗比设计值高1.5～2倍。这在正常的电磁设计程序中是无法从理论上计算出来的。同时槽形越大、硅钢片选取的牌号越低，铁耗异常的现象越明显，大大破坏了硅钢片原有的优良性能，效率也会因此而降低，甚至达不到普通硅钢片的效率水平。

因此，要充分利用硅钢片的优良性能，必须采取必要的退火工艺，以消除冲剪应力，使因冲剪边缘效应引起的歪曲的晶粒、畸变的晶格、凌乱的磁畴得以复原和改善，有效降低硅钢片的磁滞损耗，使硅钢片的磁性能得以恢复。

竞赛样机的铁耗均在设计范围内，约占电机总损耗的20%。

(3) 降杂耗的有效方法。杂散损耗是完全可以通过在原材料选择、电磁设计、工艺方法上采取有效措施后，得以明显降低的一种损耗。

选取优质的硅钢片，杂耗有一定的降低。在电磁设计上槽配合的选取，选用近槽配合杂耗会有降低，但电磁噪声明显；多槽配合在小电机中可以提高转矩性能、降低噪声，但杂耗、铁耗指标不尽人意。因此，在槽配合选取中要慎重。本次竞赛均采用行业推荐的成熟的槽配合。同时定子线圈采用低谐波绕组，对降杂耗有明显效果。

在考虑起动性能、功率因数等性能的基础上，将气隙适当放大可以达到降杂耗效果。

同时，利用专用特种刀具对转子外圆精车，加工后应采用特殊的酸洗工艺流程，最大限度地减小转子车外圆时的片间粘连和毛刺而引起的电机杂散损耗。

竞赛样机的杂耗经实测法测得，最大占输入功率的0.7%，平均0.6%。

(4) 控制不同负载点下的效率水平。低压异步电动机一般是运行在50%～80%负载点下，其中抽油机电机的负载点仅在20%～60%之间。要使高效电机在使用工况下真正节能，要考虑低负载点下的效率水平。

异步电机的效率在不同负载率时的变化与电机的磁密有关。提高磁密，则100%负载下的效率会增加，效率曲线的最高点也会移向100%负载点，片面靠提高磁密来追求100%负载下的效率水平，不利于电机的节能运行。因此，要使低负载率区有较高的效率，磁密要有所降低，同时还可以保证在较宽的负载率范围内都有较高的效率。

(5) 制造加工工艺水平的提升及控制。电机的制造加工工艺水平的提升及控制对效率水平的稳定性有很大的影响。在制造过程的关键环节，如机座、铁心、端盖轴承室、轴承台、转子外圆加工处理等工序采用数控设备，鼓励零部件尺寸采用中间公差，缩小公差带，提高形位公差精度，来保证整机的装配质量。

(6) 检测手段的准确性。南阳防爆具备国内电动机制造行业唯一一家国家CNAS认可试验室，在国家定期进行的能效标识比对工作中，试验室对样机出具的能效一致性核验报告，完全符合一致性要求，表示能效产品属于受控状态。

此次参赛样机的试验采用国际通用IEEE112B法测试效率，测试方法的准确性真实反映了电机的效率水平，为电动机在全球平台上的竞赛提供了依据和信心。

3 结 语

IE4超高效电动机在国际上获奖是对中国在电动机设计制造方面的技术实力的一种认可，同时也提供了一次在全球同行业内进行公司产品高效技术水平检验和向全球一流企业学习的绝佳机会。

[1] 黄国治，傅丰礼.Y2系列三相异步电动机技术手册[M].北京： 机械工业出版社，2004.

[2] 闫峰，玉佳彬.超高效电机的关键制造技术[J].电机与控制应用，2013(7)： 9-12.

2014-12-22

Research and Development of SEAD Global Super Efficient Competition Motor

YUJiabin

(Nanyang Explision Protection Group Go., Ltd., Nanyang 473008, China)

The SEAD super-efficient global competition to the specific requirements of the motor was introduced, the development way of winning motor were summarized, and the award-winning motor take the main method of improving energy efficiency level were introduced in detail.

super-efficient equipment and appliance deployment; grand prix super-efficient products around the world; motor

玉佳彬

TM 301

A

1673-6540(2015)05-0066-03