IE5能效等級三相異步電動機(jī)的研制

黃 堅, 顧衛(wèi)東, 楊 旭, 馮俊鋒

(1.國家中小型電機(jī)及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，上海 200063；2.云南銅業(yè)壓鑄科技有限公司，云南 昆明 650000)

0 引 言

國際電工委員會(IEC)于2008年10月發(fā)布了IEC 60034-30“單速、三相籠型感應(yīng)電動機(jī)的能效分級”標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一了全球的電機(jī)效率標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)各國不同的情況，IEC 60034-30統(tǒng)一將電動機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)分為IE1、IE2、IE3、IE4等4個等級，其中IE1為最低效率、IE4為當(dāng)時的最高效率等級。IEC制訂了50 Hz和60 Hz 2套標(biāo)準(zhǔn)體系，分別適用于電源頻率50 Hz和60 Hz的國家和地區(qū)；同時統(tǒng)一了效率的測試方法。該標(biāo)準(zhǔn)適用范圍為：額定電壓1 000 V及以下，輸出功率0.75～375 kW，極數(shù)為2、4、6極，S1連續(xù)工作制或S3斷續(xù)工作制(負(fù)載持續(xù)率為80%及以上)。

2014年，IEC發(fā)布了IEC 60034-30-1:2014標(biāo)準(zhǔn)[1]，將效率分為IE1、IE2、IE3、IE4、IE5 5個等級，其中IE5作為最高的效率等級，為第一次提出的概念，并未給出具體數(shù)值。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定適用范圍為：額定電壓1 000 V及以下，輸出功率為0.12～1 000 kW，極數(shù)為2、4、6、8極，適用于所有在線運行的交流電動機(jī)。該標(biāo)準(zhǔn)已等同轉(zhuǎn)化為國標(biāo)GB/T 32891.1—2016《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 效率分級(IE代碼)第1部分：電網(wǎng)供電的交流電動機(jī)》[2]。

2016年，IEC發(fā)布了IEC 60034-30-2:2016標(biāo)準(zhǔn)[3]，規(guī)定了變頻器供電的各種變頻調(diào)速電機(jī)相應(yīng)的效率等級，同時還第一次正式發(fā)布了IE5效率標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的適用范圍與IEC 60034-30-1相同，也已等同轉(zhuǎn)換為國標(biāo)GB/T 32891.2—2019[4]。

中國的最新版強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18613—2020《電動機(jī)能效限定值及能效等級》[5]于2020年5月發(fā)布，并將于2021年6月1日起正式實施。GB 18613—2020已將IE5效率列為中國三相異步電動機(jī)最高的一級能效等級指標(biāo)。新國標(biāo)還規(guī)定，自標(biāo)準(zhǔn)實施之日起，IE3效率將成為中國最低的三相異步電動機(jī)能效限定值(三級能效)，低于IE3能效限定值的三相異步電動機(jī)(如YE2系列電機(jī)等)不允許再生產(chǎn)銷售，表明中國中小型三相異步電動機(jī)效率水平再次提升了一個等級。新國標(biāo)同時還將IE4效率列為二級節(jié)能評價值指標(biāo)。

IEC 60034-30系列文件作為全球統(tǒng)一的電動機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)，已被世界上各個國家及相關(guān)的國際組織認(rèn)可及采用。盡管IEC認(rèn)為三相交流電動機(jī)達(dá)到IE4及以上效率是目前國際范圍的難題，但根據(jù)IEC電動機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)的最新變化，世界各國的行業(yè)同仁仍在積極努力開展符合IE4、IE5效率等級電動機(jī)的研究，例如：德國西門子等公司2016年樣本中推出了符合IE4效率等級的三相異步電動機(jī)產(chǎn)品[6]；上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司與國內(nèi)中小型電機(jī)行業(yè)多家企業(yè)共同開展了IE4能效等級的超超高效率電動機(jī)系列產(chǎn)品的開發(fā)[7]；格力電器珠海凱邦電機(jī)制造有限公司等開發(fā)了達(dá)到IE4、IE5能效等級的永磁輔助同步磁阻電機(jī)等[8]。

根據(jù)國際電機(jī)效率最新的發(fā)展情況，我們立項開展了IE5效率等級三相異步電動機(jī)樣機(jī)的研制工作。本文介紹了樣機(jī)研制情況和測試結(jié)果。樣機(jī)測試結(jié)果表明，效率等主要指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，實現(xiàn)了IE5能效等級三相異步電動機(jī)研制目標(biāo)。

1 樣機(jī)研制情況

1.1 樣機(jī)設(shè)計考慮

IEC 60034-30-1:2014標(biāo)準(zhǔn)[1]給出了各種類型的電動機(jī)達(dá)到各級效率等級的難易程度，如表1所示。

表1 各種類型的電動機(jī)達(dá)到各級效率等級的難易程度

IEC 60034-30-2:2016標(biāo)準(zhǔn)[3]給出的IE5效率等級標(biāo)準(zhǔn)值如表2所示。

表2 IE5效率等級標(biāo)準(zhǔn)值[3]

表1中，IEC 60034-30-1:2014標(biāo)準(zhǔn)給出了三相交流電動機(jī)達(dá)到IE5效率的可能性為“否”的結(jié)論。這一評價主要基于以下兩點：(1)目前全球范圍內(nèi)實際的設(shè)計及制造水平限制;(2)國際上通行的IM安裝方式及相關(guān)外形尺寸的約束。但GB 18613—2020的發(fā)布與實施，已將IE5效率作為中國三相異步電動機(jī)的一級能效指標(biāo)，這是未來幾年業(yè)界需努力探求及實現(xiàn)的目標(biāo)。為此，結(jié)合IE5效率等級標(biāo)準(zhǔn)值，開展IE5效率等級三相異步電動機(jī)樣機(jī)的研制。

針對達(dá)到IE5效率的方法，主要從設(shè)計與工藝2個方面考慮，并選擇5個典型規(guī)格(不同功率、不同極數(shù))開展樣機(jī)試驗驗證。

在設(shè)計方面,主要考慮采用優(yōu)質(zhì)的冷軋硅鋼片，針對小功率電機(jī)考慮采用鑄銅轉(zhuǎn)子工藝方案，同時開展不等匝繞組和風(fēng)扇的對比試驗驗證，進(jìn)一步降低電機(jī)損耗。在工藝方面，參考YE4和YZTE4等2個系列超超高效率三相異步電動機(jī)研制成功的經(jīng)驗，主要考慮提高加工精度，減小定、轉(zhuǎn)子沖片毛刺等，進(jìn)一步降低電機(jī)的空載損耗[7]。

本次IE5效率等級樣機(jī)安排了H80M1-2-0.75 kW、H100L1-4-2.2 kW、H112-4-4 kW、H160M-6-7.5 kW和H280S-8-37 kW等不同機(jī)座號、不同功率和不同極數(shù)的5個典型規(guī)格樣機(jī)的試驗驗證，其中H80M1-2-0.75 kW、H100L1-4-2.2 kW和H112-4-4 kW等3個規(guī)格樣機(jī)采用鑄銅轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，H160M-6-7.5 kW和H280S-8-37 kW等2個規(guī)格樣機(jī)采用鑄鋁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

樣機(jī)的主要性能指標(biāo)包括效率、功率因數(shù)、溫升、起動轉(zhuǎn)矩、起動電流等，其中效率是樣機(jī)最重要的考核指標(biāo)。IE5樣機(jī)主要技術(shù)性能指標(biāo)，包括樣機(jī)的效率、功率因數(shù)和起動性能等，如表3所示。表3中“本項目”指標(biāo)為立項任務(wù)書早期提出的指標(biāo)，IE5指標(biāo)為IEC 60034-30-2:2016中的電動機(jī)能效值。樣機(jī)的功率因數(shù)、溫升和起動轉(zhuǎn)矩、起動電流等性能指標(biāo)的確定主要參考了《YE4系列(IP55)三相異步電動機(jī)技術(shù)條件(機(jī)座號80～450)》(JB/T 13299—2017)[9]，并編制了相應(yīng)的試制用《IE5系列(IP55)三相交流電動機(jī)技術(shù)條件(機(jī)座號80～355)》文件。

表3 IE5樣機(jī)主要技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 樣機(jī)試制情況

參與IE5樣機(jī)研制的單位有上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司、安徽皖南電機(jī)股份有限公司(簡稱皖南電機(jī))、佳木斯電機(jī)股份有限公司(簡稱佳木斯電機(jī))、江蘇大中電機(jī)股份有限公司(簡稱大中電機(jī))、浙江江潮電機(jī)實業(yè)有限公司(簡稱江潮電機(jī))、山西電機(jī)制造有限公司(簡稱山西電機(jī))、湖北寶達(dá)機(jī)電有限公司、江蘇通達(dá)動力科技股份有限公司、云南銅業(yè)壓鑄科技有限公司和北京首鋼股份有限公司等，其中湖北寶達(dá)機(jī)電有限公司和江蘇通達(dá)動力科技股份有限公司配合提供部分樣機(jī)沖片鐵心的加工，云南銅業(yè)壓鑄科技有限公司協(xié)助完成鑄銅轉(zhuǎn)子壓鑄，北京首鋼股份有限公司為樣機(jī)提供優(yōu)質(zhì)的冷軋硅鋼片，皖南電機(jī)、佳木斯電機(jī)、大中電機(jī)、江潮電機(jī)和山西電機(jī)等5家電機(jī)制造企業(yè)開展樣機(jī)試制。所安排的5個規(guī)格19臺樣機(jī)的試制分工情況如表4所示。

表4 IE5樣機(jī)試制分工情況

1.3 樣機(jī)性能指標(biāo)和材料用量

在樣機(jī)試制單位的共同努力下，5個規(guī)格19臺樣機(jī)全部試制完成并完成了性能測試。從性能測試數(shù)據(jù)看，所試制完成的19臺樣機(jī)基本達(dá)到了設(shè)計及標(biāo)準(zhǔn)要求。下面就已完成的5個規(guī)格19臺樣機(jī)的主要性能指標(biāo)試制情況進(jìn)行分析。

1.3.1 樣機(jī)主要性能指標(biāo)達(dá)標(biāo)情況

將所試制的5個規(guī)格19臺樣機(jī)的效率、功率因數(shù)和起動性能等主要技術(shù)性能指標(biāo)實測值與立項技術(shù)任務(wù)書的要求進(jìn)行對比，除H100L1-4-2.2 kW規(guī)格有1臺樣機(jī)的效率指標(biāo)不合格外，其他18臺樣機(jī)的性能實際測試數(shù)據(jù)全部達(dá)到技術(shù)任務(wù)書及試制用技術(shù)條件的標(biāo)準(zhǔn)要求。效率指標(biāo)不合格的1臺樣機(jī)，其效率雖未達(dá)到技術(shù)任務(wù)書要求，但仍達(dá)到IE5效率等級指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

樣機(jī)主要性能指標(biāo)具體情況分析如下。

(1)效率指標(biāo)。

已完成的5個規(guī)格19臺樣機(jī)的效率實測值均達(dá)到IE5效率等級指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)要求，有18臺樣機(jī)的效率實測值達(dá)到本項目的標(biāo)準(zhǔn)要求，其中效率高于等于本項目標(biāo)準(zhǔn)值的樣機(jī)12臺，吃容差小于50%的5臺，吃容差大于50%的1臺，效率不合格的1臺。效率指標(biāo)合格率為94.74%。效率指標(biāo)達(dá)標(biāo)情況如表5所示。

表5 IE5樣機(jī)效率指標(biāo)達(dá)標(biāo)情況

效率不合格的1臺樣機(jī)為H100L1-4-2.2 kW樣機(jī)。該規(guī)格樣機(jī)由2家企業(yè)共試制了5臺樣機(jī)，試驗數(shù)據(jù)如表6所示。該規(guī)格樣機(jī)的效率，本項目目標(biāo)為91.49%，最小值90.21%，IE5指標(biāo)為91.4%，最小值90.11%。其中2號樣機(jī)的鐵耗測試值略偏大，造成效率不合格，但該樣機(jī)的效率仍達(dá)到了IE5效率標(biāo)準(zhǔn)要求(考慮容差后的最小值為90.11%)。

表6 H100L1-4-2.2 kW樣機(jī)效率實測值對比

由表6還可知，對于H100L1-4-2.2 kW規(guī)格，還有1臺樣機(jī)的效率吃容差大于50%、2臺吃容差小于50%，表明該規(guī)格樣機(jī)達(dá)到項目效率指標(biāo)的難度較高。

(2)其他指標(biāo)。

5個規(guī)格19臺樣機(jī)的功率因數(shù)指標(biāo)全部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計要求，其中功率因數(shù)實測值高于等于標(biāo)準(zhǔn)值的17臺，吃容差小于50%的2臺。

5個規(guī)格19臺樣機(jī)起動電流實測值全部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計要求，其中，吃容差小于50%的15臺，吃容差大于50%的4臺。

5個規(guī)格19臺樣機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩指標(biāo)全部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

5個規(guī)格19臺樣機(jī)的溫升全部合格。

1.3.2 樣機(jī)材料用量對比

IE5效率樣機(jī)的設(shè)計主要借鑒了YE4和YZTE4系列超超高效率三相異步電動機(jī)的三圓尺寸及部分槽型。5個規(guī)格IE5樣機(jī)與YE3、YE4/YZTE4系列相應(yīng)規(guī)格電動機(jī)的材料平均用量對比如表7所示。由表7可知，IE5樣機(jī)的鐵心材料平均用量比YE3系列電動機(jī)增加了22.78%，比YE4和YZTE4系列電動機(jī)增加了18.08%；定子用銅平均用量比系列YE3電動機(jī)增加了37.84%，比YE4和YZTE4系列電動機(jī)增加了9.71%；轉(zhuǎn)子用鋁或銅平均用量比YE3系列電動機(jī)增加了16.52%，比YE4和YZTE4系列電動機(jī)分別增加了4.34%和13.83%。

表7 IE5樣機(jī)與YE3、YE4/YZTE4系列電動機(jī)材料平均用量對比 kg·kW-1

2 結(jié) 語

為了達(dá)到IE5這一非常高的效率指標(biāo)，樣機(jī)設(shè)計時槽滿率的取值相對偏高，給樣機(jī)的試制帶來了一定的困難。比如H80M1-2-0.75 kW和H100L1-4-2.2 kW等規(guī)格樣機(jī)在試制過程中出現(xiàn)了下線困難等情況。通過交流與溝通，承擔(dān)樣機(jī)試制任務(wù)的企業(yè)克服了重重困難，圓滿地完成了樣機(jī)的試制。在樣機(jī)試制過程中開展了不同風(fēng)扇結(jié)構(gòu)型式及不等匝繞組型式的對比試驗驗證，取得了預(yù)期效果，為下一階段繼續(xù)開展工作積累了一定的經(jīng)驗及數(shù)據(jù)，可供行業(yè)同仁參考及借鑒。

致謝對參與樣機(jī)試制任務(wù)的皖南電機(jī)、佳木斯電機(jī)、大中電機(jī)、江潮電機(jī)、山西電機(jī)、湖北寶達(dá)機(jī)電有限公司、江蘇通達(dá)動力科技股份有限公司、云南銅業(yè)壓鑄科技有限公司和北京首鋼股份有限公司等單位和人員表示衷心感謝！