Y90S-2电动机的生命周期评价研究*

周祖鹏，唐玉华，林永发

(桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林　541004)



Y90S-2电动机的生命周期评价研究*

周祖鹏，唐玉华，林永发

(桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林541004)

摘要：针对Y90S-2电动机开展生命周期环境影响评价。评价结果表明：Y90S-2电动机功能单位的全球变暖潜力、光化学氧化物、酸化、富营养化、生态毒性、臭氧消耗和资源消耗值分别为0.096kg/kW·h、0.0006kg/kW·h、0.0008kg/kW·h、7.6e×10-5kg/kW·h、0.001kg/kW·h、2.3e×10-14kg/kW·h和8.68e×10-7kg/kW·h。与Y80M1-4电机相比，Y90S-2电动机的全球变暖和生态毒性影响较劣，而富营养化、酸化、和光化学氧化物指标较优。

关键词：生命周期评价；环境影响；电动机；敏感性

0引言

电动机是机电工业中的一个重要组成部分，电动机的发展同国民经济和科学技术的发展有着紧密的联系。为实现绿色产业和中国经济社会的可持续发展，对电动机开展生命周期评价意义重大。在过去关于电机生命周期评价的研究中，陈孝旭[1]和王晓伟[2]Y80M1-4型电动机做了生命周期评价。经文献检索，尚未发现针对Y90S-2电动机开展生命周期评价的研究。

1电机的生命周期评价模型

1.1电动机主要结构和主要参数

产品的生命周期包括材料选择、设计、制造、流通、销售、使用、维修直到拆卸回收的全过程。生命周期评价是对产品在期生命周期中的表现做量化评价，通常包括目标和范围定义、清单分析、影响评价和改善分析四个环节。

中小型三相异步电动机是一种应用比较广泛的电机产品，本文以Y90S-2型电机为例进行研究。

Y90S-2电动机基本结构及参数说明如下。中小型三相异步电机的结构基本相同，由转子、定子、机座、轴承、端盖等构成。主体部分为转子和定子。转子为铸铝转子。铁心叠压后用铝铸入铁心槽中。铁心和铝铸压出端环，使转子导条短路成鼠笼型。定子由机座和带绕组的铁心组成。铁心由硅钢片冲压而成，定子铁心槽中嵌装三相绕组。Y90S-2电动机的结构示意图如图1所示。

Y90S-2电动机主要技术参数如表1所示。

图1　三相异步电动机结构示意图

型号额定功率(kW)转速(R/Min)电流(A)效率(%)Y90S-21.528403.4878功率因素额定转矩(N·M)重量(kg)厂家价格(元)0.852.522广东江门430

1.2Y90S-2电动机生命周期各个阶段分析

Y90S-2电动机生命周期阶段与其他机电产品基本类似，可以分为原材料、制造、运输、使用维护、废弃回收等阶段。

图2　电动机生命周期结构示意图

Y90S-2电动机在制造阶段涉及到一系列工艺过程，主要包括：机械粗加工和精加工、冲压、转子铸铝、定子线圈制作、定子铁芯压装、外表面喷漆等[3-5]。工艺流程图如图3所示。

图3　Y90S电动机制造工艺流程图

2Y90S-2电动机全生命周期评价

2.1电动机系统边界的确定

Y90S-2电动机LCA系统边界如图4所示，其生命周期评价的功能单位为电机工作1小时的输出功率，即1千瓦小时(1kW·h)。

图4　Y90S电动机LCA系统边界

2.2电动机生命周期清单分析

清单分析是电动机生命周期评价的核心部分，同时也是进行电动机环境影响评价的基础。清单分析过程中的数据的准确性和完整性将影响到整个电动机生命周期评价的全过程。数据的收集是生命周期评价中的基础也是难点。数据收集主要难度在于电动机生命周期各阶段的资源消耗和污染物的排放等所需的清单数据比较复杂[6-7]。根据产品零部件清单汇总得到Y90S-2电动机的原料生产阶段的金属材料消耗，具体数据如表2所示。

表2　Y90S-2电动机的金属材料消耗[8-9]

在原材料生产阶段，电动机主要使用的原料包括铜、铁、钢等材料，同时还包括少部分铝、塑料和橡胶。原料生产阶段的各种消耗如表3所示(由Gabi软件综合计算所得)。

表3　原料生产造成的各种消耗

Y90S-2电动机生产阶段主要是各种零部件的加工及组装过程。其中，生产过程的能耗以电力消耗为主，除了电能的消耗外，还有水资源的消耗。根据相关参考文献和一些合理假设可以得出该电机生产阶段的耗电量，具体数值如表4所示。

另外，值得注意的是，在本次评价中，假设电动机在使用阶段都按两班(8h/班)工作制进行计算，使用负荷按90%计算,假设电动机使用寿命10年。运输阶段主要考虑电机的整机销售运输，假设运输距离为430公里。假设回收阶段除塑料和橡胶之外的材料按全部回收处理，并且假设生产阶段的所产生的金属铁屑按全部回收处理。最后，Y90S电动机生命周期的排放清单如表5所示。

表4　Y90S-2电动机生产阶段能耗清单[3-4]

表5　Y90S-2电动机LCA排放清单

2.3电动机生命周期影响评价

环境影响评价是对清单分析阶段所得出的数据对环境的影响进行定量或定性的评价。这种评价应考虑对生态系统、人体健康以及能源消耗的影响。影响评价指标通常可表示为：

EP(j)=∑EP(j)i=∑[Q(j)i×EF(j)i]

式中：EP(j)为对第j种环境影响潜力值；Q(j)i表示为第j种环境影响类型中，第i种环境干扰因子的排放量；EF(j)i表示为第i种环境干扰因子对第j种环境影响类型的特征化因子[10-12]。通过Gabi软件和文献[10-12]中给出的特征化因子，可以得到Y90S-2电动机生命周期环境影响潜值，具体数据如表6所示。其中，温室效应和生态毒性分别达到8440kg和89.8kg。

表6　Y90S-2电动机LCA环境影响潜值

为了进一步说明造成环境影响的主要原因，图5给出了各个生命周期阶段对环境影响指标的贡献状态图。由图5可见，Y90S-2电动机生命周期的温室效应、酸化、光化学氧化物、富营养化和生态毒性均主要发生在使用阶段，而臭氧消耗和资源消耗主要发生在生产阶段。

图5　生命周期各个阶段的排放指标值

2.4结果解释和改善分析

通过对Y90S电动机的生命周期环境影响评价分析，可以得出如下结论：

(1)从评价结果看出，在生产阶段产生的C02、生态有毒物、废水对环境的影响较大，其次是SO2排放造成的酸化影响。

(2)在运输阶段的环境影响主要是由于运输过程中排放的CO2气体造成。因此，减少该阶段的环境影响主要靠选择车况比较好的车辆运输和合理的物流输送方式实现。

(3)在使用阶段对环境的影响主要是CO2、电离辐射、酸化、光化学氧化物以及生态毒性的排放，其次是富营养化、振动和粉尘。

(4)在回收利用阶段对环境的影响主要是生态有毒物的排放，其次是CO2气体的排放。

为了说明Y90S-2电动机对环境影响的程度，我们将Y90S-2电动机与过去文献中评价过的Y80M1-4电动机生命周期评价结果做了比较。考虑功能单位后，Y90S-2电动机与Y80M1-4电动机对环境影响具体数据如表7所示。此外，本研究还增加了ODP(臭氧消耗)和ADP(资源消耗)对环境的影响，其值分别为2.3e×10-14kg/kW·h和8.68e×10-7kg/kW·h。从表7中可以看出，除温室效应和生态毒性外，Y90S-2电动机的其他环境影响指标均优于Y80M1-4电动机。

表7　两种型号电动机对环境影响的对比[1-2]

3结论

采用生命周期评价方法，通过构建生命周期评价模型，本文对常用的Y90S-2电动机在七个方面的环境影响做了评价。评价结果客观地反映了该类电机的生命周期环境影响程度。通过与其他类型电机的比较，说明了Y90S-2电动机在环境影响方面的优劣，为今后改进电机的环境表现提供了重要依据。

生命周期评价实质上是一种环境核算方法，通过生命周期评价能清楚地量化产品对环境的影响。分析清楚这些影响，对于我们今后改善产品的环境表现和提高该产业的绿色度具有重要的意义。因此，全面推广和应用生命周期评价方法将为我国实现可持续发展提供重要支持。

[参考文献]

[1] 陈孝旭.机电产品生命周期评价建模研究及支持工具开发[D].济南:山东大学,2011.

[2] 王晓伟.面向机电产品方案设计的生命周期评价关键技术研究[D].济南:山东大学,2011.

[3] 龚垌.电机制造工艺学[M].北京:机械工业出版社,1983.

[4] 胡岩,武建文.小型电动机现代实用设计技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

[5] 徐君贤.电机与电器制造工艺学[M].北京:机械工业出版社,2000.

[6] 杨建新.产品生命周期评价方法及应用[M].北京:气象出版社,2002.

[7] Michihihiro KAMEYAMA.Life cycle inventory analysis of CO2emission from ship[C].Proceedings of the 4th International Conference on EcoBalance,2000,11:517-520.

[8] 杨莉,戴进文.电机设计理论与实践[M].北京:清华大学出版社,2013.

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[10] 徐成,杨建新,王如松.广汉市生活垃圾生命周期评价[J].环境科学学报,1999,19(6):631-635.

[11] 纪丹凤,夏训峰,刘骏,等.北京市生活垃圾处理的环境影响评价[J].环境工程学报,2011,5(9):2101-2107.

[12] Guinée J B,Gorrée M et al.LCA-an operational guide to the ISO-standards-Part 2a:guide.NL:Institute of Enviromental Sciences(CML),University Leiden,2001.

(编辑赵蓉)

Life Cycle Assassment of Motor Y90S-2

ZHOU Zu-peng, TANG Yu-hua, LIN Yong-fa

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin Guangxi 541004, China)

Abstract：The life cycle environmental assessment has been carried out for motor Y90S-2. The assessment results show that global warming potential, photochemical oxidation, acidification, eutrophication, ecological toxicity, ozone consumption and resource consumption of motor Y90S-2 are 0.096kg/kW·h, 0.0006kg/kW·h, 0.0008kg/kW·h, 7.6e×10-5kg/kW·h, 0.001kg/kW·h, 2.3e×10-14kg/kW·h, and 8.68e×10-7kg/kW·h, respectively. By comparison, motor Y90S-2 has an inferior performance on global warming potential and ecological toxicity and has a superior environmental performance on eutrophication, acidification, and photochemical oxidation than motor Y80M1-4.

Key words：life cycle assessment (LCA); environmental impact; motor; sensitivity

中图分类号：TH162;TG506

文献标识码：A

作者简介：周祖鹏(1977—)男，广西桂林人，桂林电子科技大学副教授，博士，研究方向为产品仿生与绿色设计，(E-mail)zhouzupeng@guet.edu.cn。

*基金项目：国家自然基金资助项目(61263016)；广西重点实验室主任基金(13-071-11-62_006，12-071-11-62_003)

收稿日期：2015-01-15；修回日期：2015-03-09

文章编号：1001-2265(2015)12-0148-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.12.040