溫總理在“政府工作報告”中提出了“今年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低4％左右”的節(jié)能宏觀調(diào)控目標，從而將節(jié)能提至前所未有高度。對電機行業(yè)來講，量大而廣的中小電機，其所消耗的電能約占全國發(fā)電量的60～70％，是最大的耗能大戶，因此中小電機的節(jié)能是電機行業(yè)面臨的嚴峻課題，也是電機行業(yè)發(fā)展的新機遇。

　　一 中小型異步電動機行業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

　　現(xiàn)狀

　　(1)目前中小型電機產(chǎn)量較高的省市依次為山東、江蘇、河北、上海、浙江、廣東和遼寧，可見企業(yè)大多集中在沿海地區(qū)。

　　(2)由于新興的民營企業(yè)以及合資、外資企業(yè)的發(fā)展，使中小型電機行業(yè)中，國有企業(yè)的比重下降，而且中小型電機的產(chǎn)量逐步向“生產(chǎn)大戶”集中。

　　(3)中小型電動機已完整地建立了三相異步電動機Y、Y2、Y3系列。

　　1985年迅速推廣了Y系列及其派生系列產(chǎn)品，其功率范圍為0.55～250KW，機座中心高為80～315。 通過引進消化美國西屋公司和瑞士BBC公司的技術(shù)，自行研發(fā)的Y系列6KV、220～2800KW中型高壓三相異步電動機，采用新穎的箱式結(jié)構(gòu)，是目前國內(nèi)中型高壓電機的主導產(chǎn)品，以后又隨著我國電網(wǎng)電壓由6KV升高到10KV，又研發(fā)了10KV系列中小型高壓異步電動機。

　　1996年以電科所為首組織有關(guān)廠家完成了Y2系列的開發(fā)，功率范圍為0.12～315KW，機座中心高為63～355。該系列產(chǎn)品顯著降低了空載噪聲，有效抑制了負載噪聲。

　　2003年電科所組織有關(guān)廠家又完整地建立了全系列采用冷軋硅鋼片的Y3系列，其能耗達到國標GB18163－2002中能耗限定值的規(guī)定，同時也達到歐洲eff2效率標準，并且主要性能指標達到國際同類產(chǎn)品的先進水平。

　　發(fā)展趨勢

　　a 進一步推廣高效率異步電動機

　　1992年美國能源部發(fā)布了新的能源法規(guī)，提出了高效率三相異步電動機的效率標準（即EPACT指標），并規(guī)定從1997年10月24日開始，凡制造和進口一般用途電動機效率必須符合這一標準。以后又更進一步提出超高效率電機（NEMAPremium）。1999年歐洲電機和電力電子制造商協(xié)會（CEMEP）制定了eff1、eff2、eff3三個等級的效率標準，并決定到2003年削減50％低于eff3標準水平的電機生產(chǎn)，2006年以后不再生產(chǎn)。

　　我國也于2002年8月正式實施《中小型三相異步電動機能效限定值及節(jié)能評定值》的國標（GB18163-2002）。因此借著節(jié)能的規(guī)劃和“以冷代熱”的法令，應(yīng)該大力推廣Y3新系列，使之成為我國低壓三相異步電動機的主導產(chǎn)品，且新一輪的派生系列產(chǎn)品也應(yīng)在Y3新系列上展開。

　　b 進一步推廣變頻器供電的三相異步電動機系列的研發(fā)與應(yīng)用

　　近年來，國民經(jīng)濟各部門對風機和水泵需求不斷增長，據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，全國風機、水泵電動機裝機總?cè)萘考s35000MW，耗電量約占全國電能耗量的40％左右。以火力發(fā)電廠為例，據(jù)統(tǒng)計全國火力發(fā)電廠的送風機、引風機、一次風機、排粉風機、鍋爐給水泵、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵和灰漿泵等的配套高壓電動機總?cè)萘考s為15000MW，這些設(shè)備為長期連續(xù)運行但常處于低負荷及變負荷的運行狀態(tài)，因此其節(jié)能潛力很大。據(jù)估計通過變頻器調(diào)速提高風機、水泵系統(tǒng)運行效率的節(jié)能潛力每年可達300～500億度，相當于6～10座裝機容量為1000MW級的大型火力發(fā)電廠的年發(fā)電總量。因此大力推廣變頻器特別是高壓變頻器的應(yīng)用是十分有意義的。目前國際上對高壓電動機變頻調(diào)速技術(shù)的研究非�；钴S，變頻器種類繁多。我國高壓電動機多為6KV和10KV等級，由于受到電力電子器件耐壓限制，尚難以實現(xiàn)該等級變頻器的直接高壓輸出。而單元串聯(lián)式多電平變頻器的輸出電壓可達到10KV甚至更高，且輸入、輸出波形好，對電網(wǎng)的諧波污染小，因此在我國得到廣泛應(yīng)用。國際上該技術(shù)比較成熟，輸出電壓可達14.4KV，變頻器采用水冷技術(shù)，單機最大容量可達15000KW。我國采用空冷技術(shù)，變頻器驅(qū)動的電動機功率在3500KW以下。

　　國外變頻器基本已做到開環(huán)、閉環(huán)以及無速度傳感器控制三位一體的控制，而我國的產(chǎn)品大多仍是普通的V/F控制方式。業(yè)內(nèi)在變頻器調(diào)速系統(tǒng)方面已開展了許多研究，當務(wù)之急是如何將理論知識轉(zhuǎn)化為工業(yè)產(chǎn)品，提高我國變頻器的性能和質(zhì)量。

　　變頻器發(fā)展對與之配套的電動機提出了新的要求。以往對配套電動機的研究，主要在減小變頻器供電電源的諧波分量所引起的電動機損耗增加、溫升升高、振動加大、噪聲增大以及諧波轉(zhuǎn)矩增大等方面。近年來，隨著IGBT在變頻器中的應(yīng)用，載波頻率甚至高達20K，由此帶來一系列負面影響，如高頻的PWM脈沖波嚴重影響電動機的絕緣和壽命，變頻器輸出的共模電壓，形成軸電流，造成軸承點蝕，從而縮短電動機壽命。對此電科所及有關(guān)廠家已完成了YVF2系列變頻專用電機的開發(fā)，并完成了《使用納米技術(shù)的新型耐高頻脈沖電磁漆線》的項目，該種漆包線耐受高頻脈沖能力為普通線的51倍。

　　此外變頻電動機的供電電源經(jīng)高頻調(diào)制，其性能測試方法不同于工頻電機，急需研制適合變頻電機性能測試的方法和檢測儀器。

　　二永磁同步電動機的典型應(yīng)用與前景

　　永磁同步電動機發(fā)展的條件

　　(1)高性能低成本的釹鐵硼永磁材料具有剩余磁感應(yīng)強度、矯頑力和磁能積均高的特點，自上世紀80年代以來，又成功解決了釹鐵硼材料的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕問題，因此用于同步電動機可省去激磁繞組，因無激磁損耗，從而降低了功耗、發(fā)熱，提高了電機效率和功率因數(shù)；由于無需集電環(huán)和炭刷，也簡化了結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

　　(2)電力電子器件和技術(shù)的進步，發(fā)展了各種高性能變頻器和專用變頻器，解決了同步電動機無法自起動問題，使復雜的阻尼導條和端環(huán)得以取消。

　　(3)易于實現(xiàn)磁場定向控制的矢量變換控制，使永磁同步電動機具有和直流電動機一樣優(yōu)良的線性轉(zhuǎn)矩控制特性。

　　(4)DSP快速數(shù)字信號處理器和各種高性能專用伺服驅(qū)動器為各種復雜系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

　　永磁同步電動機發(fā)展的機遇

　　(1)更高的綜合節(jié)能效果

　　永磁同步電動機由永磁體激磁，無需勵磁電流，故可顯著提高功率因數(shù)（可達1甚至容性）；定子電流小，定子銅耗顯著減小；轉(zhuǎn)子無銅耗（三相異步電動機轉(zhuǎn)子繞組損耗約占總損耗的20～30％），因而發(fā)熱低，可以取消風扇或減小風扇，從而無風摩耗或減少風摩耗，故永磁同步電動機一般比同規(guī)格異步電動機效率可提高2～8％，并且在很寬的負載變動范圍內(nèi)始終保持高的效率和功率因數(shù)，尤其在輕載運行時節(jié)能效果更顯著。

　　(2)可滿足某些工業(yè)應(yīng)用需大的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的動態(tài)需求

　　常規(guī)異步電動機起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)都有限，為達要求，需選擇更大容量的異步電動機，而到了正常運行狀態(tài)，異步電動機則又處于輕載運行狀態(tài)，效率和功率因數(shù)均較低。例如為油田抽油機設(shè)計的具有異步起動能力的永磁同步電動機，起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)可達3.6倍以上，效率可達94％，功率因數(shù)可達0.95，既滿足了負載動態(tài)時大轉(zhuǎn)矩的要求，還具有很高的節(jié)能效果。

　　(3)低速直接驅(qū)動的需求

　　為了提高控制精度、減小振動噪聲、杜絕油霧帶來的不安全，也為了大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動的需求，近年來對低速電動機的需求也不斷增長。如用于電梯拖動的永磁同步曳引機，轉(zhuǎn)矩提高了十幾倍，取消了龐大的齒輪箱，通過曳引輪直接拖動轎廂，明顯減小了振動和噪聲。又如船用吊艙式電力推進器，將低速大轉(zhuǎn)矩的永磁同步電動機置于船艙外的吊艙，無需原來的傳動系統(tǒng)，直接驅(qū)動螺旋槳，實現(xiàn)船舶的運行和控制。這是船舶驅(qū)動技術(shù)的又一發(fā)展，國外自上世紀九十年代已成功用于豪華郵輪、專用油輪等。西門子公司吊艙式推進器中PMSM容量已達30000KW。

　　(4)多極高功率因數(shù)的需求

　　近年來，永磁同步電動機朝著多極化發(fā)展，多極電機可顯著減小定、轉(zhuǎn)子鐵心軛部高度，從而減小電機體積、減少鐵心用量。多極電機還顯著減小了定子端部長度，減小定子銅耗、從而減少發(fā)熱、提高了效率。如某安裝于轎廂和井壁間隙的永磁同步電動機，轉(zhuǎn)子采用60極結(jié)構(gòu)，顯著縮短了定子線圈端部長度，實現(xiàn)無機房電梯。若仍用異步電動機驅(qū)動，隨著極數(shù)增加，其功率因數(shù)明顯降低，在輕載和空載時，功率因數(shù)將更低，因此在Y型系列電機中，10極電機已不多見。而該60極永磁同步電動機功率因數(shù)高達0.98，空載、輕載時甚至可達1，節(jié)能效果明顯。

　　(5)高功率密度的需求

　　艦船、車輛受體積所限，要求電動機要有高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度。永磁同步電動機由于無需激磁繞組，空間結(jié)構(gòu)小，高性能的釹鐵硼永磁材料具有高剩余磁感應(yīng)強度和高矯頑力，從而可提供很高的磁負荷Bδ，使電機尺寸縮小。有些并聯(lián)供磁的電機，Bδ甚至可高達1特斯拉以上。傳統(tǒng)電機的齒槽結(jié)構(gòu)，約束著磁負荷和電負荷的關(guān)系，過高的磁負荷將減小放置繞組的空間，成為實現(xiàn)高功率密度的瓶頸。1986年德國H.Weh教授首先提出橫向磁場永磁電機（TransverseFluxPMMachine－TFM）的設(shè)想，該設(shè)想一反傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使電機的磁負荷和電負荷不再相互制約，特別適合高功率密度、大轉(zhuǎn)矩、低速和直接驅(qū)動的場合。橫向永磁電機我國目前還處于實驗研究階段。英國研制的用于艦艇的橫向磁場電機，功率達10MW，轉(zhuǎn)速為180r/min。此外橫向磁場電機在風力發(fā)電和海洋潮汐發(fā)電中也有應(yīng)用。

　　(6)運動控制系統(tǒng)的需求

　　目前電氣傳動技術(shù)已從簡單的速度控制發(fā)展到運動軌跡控制。由于永磁同步電動機比異步電動機更易于實現(xiàn)磁場定向矢量變換控制，因此近年來永磁同步伺服電動機系統(tǒng)成了高精度數(shù)控機床、機器人等高科技設(shè)備的主流。在某些場合，甚至實現(xiàn)了100000∶1的調(diào)速范圍和小于1～2％的低速轉(zhuǎn)矩波動。外國產(chǎn)品幾乎占據(jù)了國內(nèi)所有市場，功率一般為20W～15KW。我國交流伺服電動機和驅(qū)動器，尚處在發(fā)展初期。

　　此外機械加工設(shè)備的更新，需要各種永磁同步電動機，日本已推出0.75KW～500KW的中小型永磁同步電動機系列，適應(yīng)各種驅(qū)動的要求。

　　隨著對機械加工技術(shù)的高速和超高速化、精密和超精密化的需求，具有高速反應(yīng)能力的直線驅(qū)動伺服技術(shù)─所謂零傳動方式應(yīng)運而生。由于消除了傳統(tǒng)機械傳動鏈所具有的一系列不良影響，因而極大地提高了進給系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力和運動精度，成為新一代數(shù)控機床中最具代表性的先進技術(shù)之一。目前國外采用直線電機的伺服系統(tǒng)可達到小于0.01μm/min或高達300m/min的運行速度，速度偏差優(yōu)于±0.01%。如西門子公司的永磁式直線同步電動機最大移動速度為200m/min，最大推力達6600N，最大位移為504mm，應(yīng)用于高速銑床、曲柄車床、超精密車床等。直線電機伺服系統(tǒng)亦還有著需進一步研究的問題，如直線電動機是直接驅(qū)動被控制對象，系統(tǒng)沒有任何中間緩沖過程，參數(shù)攝動、負載擾動等不確定因素將增加控制難度等。

　　我國稀土資源豐富，稀土儲量為世界其它各國儲量的4倍，稀土材料是永磁材料的主要成分，為此充分發(fā)揮我國稀土資源的優(yōu)勢，大力開展和推動永磁同步電動機系統(tǒng)的應(yīng)用和研究，對節(jié)能和滿足上述各種需求是具有重大戰(zhàn)略意義的。