國際上，美國、加拿大和歐洲等地相繼頒布了有關(guān)法規(guī)強制推行高效電機。我國中小型電機行業(yè)的“十五”規(guī)劃將開發(fā)高效電動機提上了議程，并對開發(fā)高效電機借鑒歐洲標準達成了共識。這是因為：

（1）目前我國的電工標準體系基本是等同采用IEC的標準。

（2）我國Y系列和Y2系列電動機均與德國標準DIN42673相對應，且電壓和頻率也與歐洲的一致。

（3）我國Y2系列電機與eff2系列電動機的效率基本相當，Y2E系列略低于eff1系列（2極電動機平均低0.94％，4極電動機平均低1.65％）。故只要適當調(diào)整設計，均可以達到歐洲eff2和eff1的水平。

實現(xiàn)高效的途徑

交流電動機按電機工作原理，可分為異步電動機和同步電動機。通常，一般用途的驅(qū)動電機都是異步電動機，目前是Y系列和Y2系列電機。雖然傳統(tǒng)的電勵磁同步電動機具有高效率和高功率因數(shù)的優(yōu)點，但由于其結(jié)構(gòu)復雜、起動困難、制造成本高和維護麻煩，一般電力拖動系統(tǒng)很少使用同步電動機。而永磁同步電動機隨著永磁材料的發(fā)展及設計技術(shù)的不斷成熟，不但解決了電勵磁同步電動機結(jié)構(gòu)復雜的缺點，自起動永磁同步電動機還解決了電勵磁同步電動機無法自起動的不足，使其可以像異步電動機一樣方便使用。永磁同步電動機結(jié)合了異步電動機結(jié)構(gòu)簡單和電勵磁同步電動機效率高的優(yōu)點。因此高效電機既可以設計成高效異步電動機，亦可考慮設計成高效永磁同步電動機。

若以Y2系列異步電動機為藍本，設計開發(fā)高效異步電動機，則主要措施有：降低電磁負荷（鐵心加長，降低磁負荷以減少鐵耗；適當加大槽形，加粗導體以降低銅耗）、合理選擇槽配合、提高制造水平、改進風扇設計和選用高性能的材料等。而同樣以Y2系列電機作藍本，設計開發(fā)高效永磁同步電動機，則主要工作有：選擇恰當?shù)拇怕方Y(jié)構(gòu)，確定永磁體的類型和具體牌號，設計定、轉(zhuǎn)子沖片等。

方案對比和分析

1、電機的效率指標

我國于2012年5月11日頒布了國標GB18613－2012《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》，并于2012年9月1日正式實施。GB18613－2012將能效等級分為1、2和3級，1級等同于IE1（超超高效，IEC60034－31）；2級等同于IE2（超高效，IEC60034－30）；3級等同于IE3（高效，IEC60034－30）。表1列出GB18613－20122級能效規(guī)定值和1.1～90kW的4P電機的Y2、Y2-E和永磁電機間的效率指標對比。

2、高效異步電機

Y2系列異步電動機是目前廣泛使用的普通用途的電機。在聯(lián)合開發(fā)設計時，對其進行了提高效率等一系列的設改進，即產(chǎn)生了上文中提到的Y2-E系列。Y2-E系列設計從H80-280共進行了53個規(guī)格的設計，有效材料的耗材情況對比見表2。

表2中，成本價格按電磁線25元/kg，硅鋼片5.5元/kg，鋁20元/kg計。這53個規(guī)格中，Y2基本系列設計的效率算術(shù)平均值為86.77%，Y2-E設計的效率算術(shù)平均值為87.83%，效率提升了1.06％。但有效材料多用了13.6%，由此推測，當效率設計值從表1的87.52%提高到90.73%時，有效材料大約應比Y2基本系列多用41.2%。如果設計時效率再留0.5％的余量，則有效材料約比Y2基本系列多用47.6%。高效異步電機三大有效材料的推測用量亦列于表2中。

按目前每年生產(chǎn)中小型異步電動機4000萬千瓦計，如果其中的1/4使用高效異步電動機，節(jié)能雖然有效果，但電動機制造廠為此要多付約3.007億元/年的材料費用，其中，電磁線4535t，硅鋼片29220t，鋁830t。除此之外，電機生產(chǎn)的輔助材料，如絕緣漆和槽絕緣紙等也要相應多消耗。在模具方面，每個規(guī)格高效電機基本都需要增加定、轉(zhuǎn)子沖片模具、繞線模、鑄鋁中模、鑄鋁端模和定子疊壓漲胎等。對于功率較小的電機，由于效率增加較多，鐵心長度加長較多，會出現(xiàn)Y2機座無法容納鐵心的情況，還必須重新制作機座模具，所增加的費用就更多了。另外，由于定、轉(zhuǎn)子與Y2系列不一樣，同時又增加了企業(yè)的生產(chǎn)管理成本。

3、高效永磁同步電機

永磁同步電動機由于沒有了轉(zhuǎn)差功率損耗，效率可以設計得很高，同時功率因數(shù)亦相當高。為便于分析比較，本文設計了4P、1.5～90kW的永磁同步電動機，全部借用Y2系列相應規(guī)格的定子沖片，鐵心長度也不做變化，只對轉(zhuǎn)子進行了重新設計。這樣涉及改動的模具只有轉(zhuǎn)子沖模和鑄鋁端模。電磁線、硅鋼片和電機制造的輔助材料的用量與Y2的相同，用鋁量有所下降，當然比Y2系列多用了永久磁鋼。其設計的效率值和耗材量亦分別列在表1和表2中。

4、兩種方案對比

由表1可知，PMSM的效率設計值高出eff1效率平均值0.75％，而成本卻比異步高效方案節(jié)約9.38元/kW（永久磁鋼按170元/kg計）。以年產(chǎn)1000萬千瓦高效電機來測算，采用永磁同步電機方案每年可節(jié)省制造成本9380萬元。此外，還可節(jié)省電磁線4535t，硅鋼片29220t以及其它原輔材料。雖然，比異步高效方案多消耗永久磁鋼（稀土永磁材料）1427t，但我國的稀土資源豐富，稀土礦的儲存量為世界其它各國總和的4倍左右，號稱“稀土王國”，因此可利用此得天獨厚的條件，大力發(fā)展我國的永磁同步高效電機。

5、樣機對比

Y2-200L-4鐵心長195mm，Y2-200L-4E鐵心長230mm，后者約多用有效材料17.95%。聯(lián)合設計時試制的兩臺樣機效率分別為92.7%和92.9%，均低于eff1的93.2%的標準。

若要使電機符合eff1標準，還需要重新設計。如要確保生產(chǎn)的電機符合標準，設計時應留一定的余量。按試制的兩臺樣機的標準，再提高1％，即效率分別為93.7%和93.9%，則有效材料將再增加10%左右，即符合eff1標準的電機有效材料將比Y2-200L-4多用29.7%。Y2-200L-4有效材料約1800元，則設計生產(chǎn)出合格的高效異步電機將多用534.6元。

而所設計和試制的永磁同步電機PMSM200L-4，鐵心長度與Y2-200L-4相同，只對轉(zhuǎn)子部分重新設計，耗用的永久磁鋼3.43kg，按170元/kg計，成本比Y2-200L-4多用583.1元。試制的兩臺樣機效率分別是95.3%和93.8%（其中一臺樣機鐵心疊壓質(zhì)量不太理想），遠遠超過eff1標準。

通過對高效電機兩種設計方案進行對比分析，得出如下結(jié)論：

（1）盡管異步電機通過改進設計也可以實現(xiàn)高效節(jié)能，但和采用永磁同步電機的方案相比，會耗用更多的材料，而且動用的模具多，會增加生產(chǎn)管理成本。

（2）異步電機即使耗材較多，但也很難實現(xiàn)高效。主要原因為功率越小的電機，轉(zhuǎn)差損耗所占的比例越大。永磁同步電機，特別是功率較小的電機，耗材少，制造成本低，易達到高效的目的。

（3）根據(jù)表1可知，永磁同步電機的效率高于eff1的標準。此外，永磁同步電動機的功率因數(shù)也比異步電機高很多，可改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。

（4）雖然要耗用一定的稀土材料，但采用永磁同步電機方案可節(jié)約鋼材和銅材。

隨著對永磁同步電機的工作原理與結(jié)構(gòu)的持續(xù)研究，設計方法與制造工藝的不斷改進，控制技術(shù)的快速發(fā)展和日漸成熟，永磁同步電機的優(yōu)勢將更加凸顯。