国际上，美国、加拿大和欧洲等地相继颁布了有关法规强制推行高效电动机。我国中小型电机行业的“十五”规划将开发高效电动机提上了议程，并对开发高效电动机借鉴欧洲标准达成了共识。这是因为：

（1）目前我国的电工标准体系基本是等同采用IEC的标准。

（2）我国Y系列和Y2系列电动机均与德国标准DIN 42673相对应，且电压和频率也与欧洲的一致。

（3）我国Y2系列电动机与eff2系列电动机的效率基本相当， Y2E系列略低于eff1系列（2极电动机平均低0.94％， 4极电动机平均低1.65％）。故只要适当调整设计，均可以达到欧洲eff2和eff1的水平。

实现高效的途径

    交流电动机按电机工作原理，可分为异步电动机和同步电动机。通常，一般用途的驱动电机都是异步电动机，目前是Y系列和Y2系列电机。虽然传统的电励磁同步电动机具有高效率和高功率因数的优点，但由于其结构复杂、起动困难、制造成本高和维护麻烦，一般电力拖动系统很少使用同步电动机。而永磁同步电动机随着永磁材料的发展及设计技术的不断成熟，不但解决了电励磁同步电动机结构复杂的缺点，自起动永磁同步电动机还解决了电励磁同步电动机无法自起动的不足，使其可以像异步电动机一样方便使用。永磁同步电动机结合了异步电动机结构简单和电励磁同步电动机效率高的优点。因此高效电动机既可以设计成高效异步电动机，亦可考虑设计成高效永磁同步电动机。

    若以Y2系列异步电动机为蓝本，设计开发高效异步电动机，则主要措施有：降低电磁负荷（铁心加长，降低磁负荷以减少铁耗；适当加大槽形，加粗导体以降低铜耗）、合理选择槽配合、提高制造水平、改进风扇设计和选用高性能的材料等。而同样以Y2系列电机作蓝本，设计开发高效永磁同步电动机，则主要工作有：选择恰当的磁路结构，确定永磁体的类型和具体牌号，设计定、转子冲片等。

方案对比和分析

1、电机的效率指标

    我国于2012年5月11日颁布了国标GB 18613－2 012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》，并于2012年9月1日正式实施。GB 18613－2012将能效等级分为1、2和3级，1级等同于IE1（超超高效，IEC 60034－31）；2级等同于IE2（超高效，IEC 60034－30）；3级等同于IE3（高效，IEC 60034－30）。表1列出GB 18613－2012 2级能效规定值和1.1～90 kW的4P电机的Y2、Y2-E和永磁电机间的效率指标对比。

2、高效异步电机

    2系列异步电动机是目前广泛使用的普通用途的电机。在联合开发设计时，对其进行了提高效率等一系列的设改进，即产生了上文中提到的Y2-E系列。Y2-E系列设计从H80-280共进行了53个规格的设计，有效材料的耗材情况对比见表2。

    表2中，成本价格按电磁线25元/kg，硅钢片5.5元/kg，铝20元/kg计。这53个规格中，Y2基本系列设计的效率算术平均值为86.77%，Y2-E设计的效率算术平均值为87.83%，效率提升了1.06％。但有效材料多用了13.6%，由此推测，当效率设计值从表1的87.52%提高到90.73%时，有效材料大约应比Y2基本系列多用41.2%。如果设计时效率再留0.5％的余量，则有效材料约比Y2基本系列多用47.6%。高效异步电机三大有效材料的推测用量亦列于表2中。

    按目前每年生产中小型异步电动机4 000万千瓦计，如果其中的1/4使用高效异步电动机，节能虽然有效果，但电动机制造厂为此要多付约3.007亿元/年的材料费用，其中，电磁线4 535 t，硅钢片29 220 t，铝830 t。除此之外，电机生产的辅助材料，如绝缘漆和槽绝缘纸等也要相应多消耗。在模具方面，每个规格高效电机基本都需要增加定、转子冲片模具、绕线模、铸铝中模、铸铝端模和定子叠压涨胎等。对于功率较小的电机，由于效率增加较多，铁心长度加长较多，会出现Y2机座无法容纳铁心的情况，还必须重新制作机座模具，所增加的费用就更多了。另外，由于定、转子与Y2系列不一样，同时又增加了企业的生产管理成本。

3、高效永磁同步电机

    永磁同步电动机由于没有了转差功率损耗，效率可以设计得很高，同时功率因数亦相当高。为便于分析比较，本文设计了4P、1.5～90 kW的永磁同步电动机，全部借用Y2系列相应规格的定子冲片，铁心长度也不做变化，只对转子进行了重新设计。这样涉及改动的模具只有转子冲模和铸铝端模。电磁线、硅钢片和电机制造的辅助材料的用量与Y2的相同，用铝量有所下降，当然比Y2系列多用了永久磁钢。其设计的效率值和耗材量亦分别列在表1和表2中。

4、两种方案对比

    由表1可知，PM SM的效率设计值高出eff1效率平均值0.75％，而成本却比异步高效方案节约9.38元/kW（永久磁钢按170元/kg计）。以年产1 000万千瓦高效电机来测算，采用永磁同步电机方案每年可节省制造成本9 380万元。此外，还可节省电磁线4 535 t，硅钢片29 220 t以及其它原辅材料。虽然，比异步高效方案多消耗永久磁钢（稀土永磁材料）1 427 t，但我国的稀土资源丰富，稀土矿的储存量为世界其它各国总和的4倍左右，号称“稀土王国” ，因此可利用此得天独厚的条件，大力发展我国的永磁同步高效电机。

5、样机对比

    Y2-200L-4铁心长195 m m， Y2-200L-4E铁心长230 m m，后者约多用有效材料17.95%。联合设计时试制的两台样机效率分别为92.7%和92.9%，均低于eff1的93.2%的标准。

    若要使电机符合eff1标准，还需要重新设计。如要确保生产的电机符合标准，设计时应留一定的余量。按试制的两台样机的标准，再提高1％，即效率分别为93.7%和93.9%，则有效材料将再增加10%左右，即符合eff1标准的电机有效材料将比Y2-200L-4多用29.7%。Y2-200L-4有效材料约1 800元，则设计生产出合格的高效异步电机将多用534.6元。

    而所设计和试制的永磁同步电机PMSM200L-4，铁心长度与Y2-200L-4相同，只对转子部分重新设计，耗用的永久磁钢3.43 kg，按170元/kg计，成本比Y2-200L-4多用583.1元。试制的两台样机效率分别是95.3%和93.8%（其中一台样机铁心叠压质量不太理想），远远超过eff1标准。

总结

    本文对高效电机两种设计方案进行对比分析。得出如下结论：

（1）尽管异步电机通过改进设计也可以实现高效节能，但和采用永磁同步电机的方案相比，会耗用更多的材料，而且动用的模具多，会增加生产管理成本。

（2）异步电机即使耗材较多，但也很难实现高效。主要原因为功率越小的电机，转差损耗所占的比例越大。永磁同步电机，特别是功率较小的电机，耗材少，制造成本低，易达到高效的目的。

（3）根据表1可知，永磁同步电机的效率高于eff1的标准。此外，永磁同步电动机的功率因数也比异步电机高很多，可改善电网的功率因数。

（4）虽然要耗用一定的稀土材料，但采用永磁同步电机方案可节约钢材和铜材。

随着对永磁同步电机的工作原理与结构的持续研究，设计方法与制造工艺的不断改进，控制技术的快速发展和日渐成熟，永磁同步电机的优势将更加凸显。

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