电动机标准规范及电机发展趋势7

1、电动机标准规范电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据而规定的 每台电机的正常运行状态和条件，称为电机的额定运行情况。表征电 机额定运行情况的各种数值，如电压、电流、功率等称为电动机的额 定值。（1）型号表示产品性能，结构和用途的代号（2）额定功率在额定运行（指电压，频率和电流都为额定值）情况下， 电动机轴上所输出的机械功率为电动机的额定功率.（3 ）额定电压.电动机在额定运行情况下的线电压为电动机的额定 电压。一般规定电动机的电压不应高于或低于额定值的5%o如三相 定了绕组可有两种接法时，就标有两种相应的额定电压值。（假如： 电压高于额定值时，励磁电流将增大，铁损增加，绕组有过热现象

2、.电 压低于额定值时，在电动机满载的情况下，会引起转速下降，电流增 加，使绕组过热.电压低时，电动机最大转矩也会显箸降低）.（4）额定电流。指电动机在额定电压、额定频率和额定负载下运行 时，三相定子绕组中通过的线电流，单位为a。由于定子绕组的连接 方式不同，额定电压不同，电动机的额定电流也不同。例如，一台额 定功率为10kw的三相异步电动机，其绕组作三角形连接时，额定电 压为220v,额定电流为68a；其绕组作星形连接时，额定电压为380v, 额定电流为39a。也就是说，铭牌上标明：接法一一三角形/星形；额 定电压一一22080v；额定电流一一689ao（5）额定频率。指电动机所接交流电源的频

3、率，我国发电厂所生产 的交流电，频率为50hz 频率降低时，转速降低，定子电流增大。（6）额定转速。指电动机在额定电压、额定频率和额定负载下运行 时，转子每分钟的转数，单位为r/mino英值略低于同步转速。（7）接法。指电动机在额定电压下定子绕组的接线方式。一般有星 形和三角形两种接法星形接线时，绕组所能承受的电压是三角形接 线时的1/v3,因此必须按铭牌规定的接线方式接线。否则，电动机将 烧毁。（8）绝缘等级。根据绕组所用的绝缘材料，按照它的允许耐热程度 规定的等级。中小型异步电动机的绝缘等级有a,e、b、f和h级。电 动机的工作温度主要受绝缘材料的限制。若工作温度超出绝缘材料所 允许的温度

4、，绝缘材料就会迅速老化，其使用寿命将大大缩短。修理 电动机时，所选用的绝缘材料应符合铭牌规定的绝缘等级。（9）温升。指电动机长期连续运行时的工作温度比周围环境温度高 出的数值。我国规定周围环境的最高温度为40°co例如，若电动机 的允许温升为65°c,则其允许的工作温度为65十40 = 105°c o电动 机的允许温升与所用绝缘材料等级有关。电动机运行中的温升对绝缘 材料的使用寿命影响很大，理论分析表明，电动机运行中绝缘材料的 温度比额定温度每升高8°c,其使用寿命将缩短一半。（10）工作定额。指电动机的工作方式，即在规定的工作条件下运行 的持续时间或工

5、作周期。电动机运行情况，根据发热条件可分为三种 基本运行方式：连续运行、短时运行和断续运行;连续运行一一按铭 牌上规定的功率长期运行，如水泵、通风机和机床设备上电动机的使 用方式都是连续运行方式短时运行一一-每次只允许规定的时间内 按额定功率运行，而且再次起动之前应有符合规定的足够停机的冷却 时间断续运行一一电动机以间歇方式运行，如吊车和起重机等设备 上用的电动机就是断续运行方式。（11）额定功率因数。指电动机在额定输出功率下，定子绕组相电压 与相电流之间相位角的余弦，约为0.700.90。电动机空载运行时，功 率因数约为0.2左右，功率因数越高的电动机，发配电设备的利用率越 高。（12 ）额

6、定效率.对电动机而言，输入功率与输出功率不等，其差值 等于电动机本身损耗功率，包括铜损、铁损和机械损耗等。效率是指 输岀功率与输入功率的比值，即通常约为（7592） %o效率越高,电动机的损耗越小.（13）转子电压.绕线式异步电动机的定子绕组加有额定电压时，转子不转动时俩个滑环间的电压.（14）转子电流.绕线式异步电动机使用在额定功率时的转子电流.（15）起动电流.是指电动机在起动瞬间的电流，常用它与额定电流 之比的倍数来表示.异步电动机的起动电流一般是额定电流的4 7 倍.（16）起动转矩.起动转矩是指电动机起动时的输出转矩，常用它与 额定转矩之比的倍数来表示.一般是额定转矩的1 18倍.（

7、17）重量。指电动机本身的体重，以供起重搬运时参考.电机发展趋势及国外电机能效标准下而介绍一下世界上各主要国家和地区电动机能效标准的制定 及发展完善情况。主要以美国、欧盟、大洋洲及中国有关标准的发展 情况为例，比较了不同地区电动机能效标准在执行方式和实施范围等 情况方面的差异。并指出发展能效标准对促进高效电机的研发和推广 具有重要意义。1、电动机广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器等各种 领域，作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力。电动机的 用电量一般均占到各国工业用量的70%左右，为其全部用电量的50% 左右，因此，电动机系统能效水平的提高将可节约大量的电能。美国 1994年统计

8、，仅在工业加工过程中电动机系统就消耗了 6790亿kwh 的电能。据估计，如采用目前已成熟的节能技术和产品，可节约 11%18%的电能，也即每年可节约7501220kwh,同时每年相应可 节约电费3658亿美元,并且由于电能的节约可大大减缓或减少对 电站或发电设备的投资与建设。另外，目前的电力生产，大多数国家 仍以火力发电为主，其生产过程中排出的co2等气体构成地球温室 气体的主要部分，对气候环境带来很大影响，英国测算其1995年电 动机系统总用电量为1300亿kwh,为产生这些电能排放到空中的碳 为2400万t,相当于英国该年所有能源生产所排放碳总量的17% o 根据1997年京都协定书，各

9、国均要需减少温室气体的排放，欧盟在 20082012年要比1990年排放水平降低8%,其中英国需减少12.5%。 电动机系统能效水平的提高所带来的电能节约，可大大减少温室气体 的排放。由于工业部门的用电量往往占据各国总发电量的相当大部 分，所以不少国家政府对电机系统在工业部门中的用电情况颇为重 视。美国能源部从1993年开始在工业部门中启动了电动机挑战计划 。预计通过该计划，可使整个工业部门电动机系统的效率提高 14.8%,每年可节约电能850亿kwh,并相应地每年可减少2000万t 的碳排放到大气中，由此可见，在工业部门开展电动机系统的节能工 作具有重要遺义。2、各主要国家和地区电动机效率的

10、发展概况2.1美国的电动机能效标准当20世纪70年代初第一次能源危机时，美国电动机制造商如ge公 司、reliance公司等首先推岀了高效率电动机产品。为此美国电动机 制造商协会(nema)根据市场实际产品的效率情况，经与用户组织、 电力公司、政府部门等协商后，于1989年确定了第一个高效电动机 效率标准，即nema12-9-到1990年，nema意识到了 nema12-9尚 不能满足多数电力公司和一些部门对效率的耍求，对nema12-9进行 了修订，提出了 nemaimo新标准。考虑到了有一些使用场合可能 需要更高效率的电动机，又推出了一个更高效率的电动机效率标准， 称为"nema

11、 e标准(nema12j1),其效率值平均要比高效率电动机 再高2个百分点。为加快高效率电动机的推广应用，美国会在1992 年通过了对能源政策和节能法令的修订，并正式成为法律文件。该 法令规定在美国生产和进口的电动机必须达到高效率电动机的效率 指标，即所谓的epact指令。该法令规定了 5年的过渡期，即到1997 年10月24 fl起开始正式生效实施。美能源政策法令(epact)所规 定的电动机最低效率标准指标，在所规定的功率和转速范围内，与 nema的高效率电动机效率标准nema12j0的指标相同。其法令所 规定的电动机范围为一般用途、nemat-机座尺寸、单速、底脚安装 的三相笼型异步电动

12、机，为nemaa和b设计(即一般起动性能要求), 连续定额，在230/460v和恒定60hz的电源下运行的电动机，功率从 1200马力，极数为2极、4极和6级，封闭式电机和开启式电机。 实施范围包括防爆电动机。美国 8 大电机制造商为 ge> us> baldor> lincon> marathon> magnetek> reliance和toshiba等公司。epact指标的效率较一般电机的平均值 对应于不同功率升高了 1-5.7个白分点，此11个规格效率平均提高 了 2.7个百分点，损耗分别下降了 15%33%,平均下降了 24%。epact 标准92年

13、批准后，有5年的过度期。实际上各主要电机制造商于1995 年左右已完成了一般效率电机向高效率电机牛产的过渡，由于该标准 已上升为法律，附有严历的处罚条款，97年生效后，美各制造商均 已按此实施。广大用户也基本接受。关于该标准实施后的节能效果, 美国能源部于90年代末进行了评估，认为通过该标准的实施，到2010 年后，可每年节电130亿kwh,相当于电动机总用电量的2.3%,并 可相应地节约大量的电费和430万kw发电容量的投资。如上文所述, 美国在高效率电机标准nema12j0以后，曾制订一更高效率的电机 标准，即所谓"e设计?/nema12-ll,但由于其起动电流偏大，未能得 到较

14、大的推广，本世纪初美国电力供应仍然紧张，美国市场上开始出 现高于epact指标的超高效率电机，于是美国nema在2001年与以 美国各州电力公司为主组成的能源效率联盟（cee）联合制定了新的 超高效率电机标准，称为nema premium标准，该标准的起动性能要 求与epact 致，该标准的效率指标基本上反映了目前美国市场上超 高效率电机的平均水平。其功率范围为l500hp,单速，2极、4极 和6极,nemaa设计,为连续定额的三相笼型异步电动机。美国nema 标准mg1-2003中规定了 nema premium的效率指标nema12-12和 nema12-13,其中前者对应于600v及以下

15、的电动机（见附表2）,后 者对应于中压5kv及以下的电动机。nema premium较epact效率提 高了 13个百分点，该11个规格率平均提高了 1.8个百分点，电动 机的损耗各规格下降了 14%24%,损耗平均下降了 18.8%o目前nema premium标准较多用于电力公司为鼓励用户购置超高效 率电机时，给予补贴的一个参照标准。nemapremium电机被推荐使 用在年运行大于2000小时、负荷率在75%以上的场合。nema开展 的nema premium计划是一个行业自愿的协议，nema成员签署这一 协议后，并在达到标准后才能使用nemapremium标识，非成员单位 需支付一定费

16、用后才可使用此标识。关于节能潜力方而，美能源部曾 作评估，如在epact实施的基础上，再实行超高效率能效标准，估计 到2018年，可再每年节电68亿kwh,占电动机总用电量的1.2%。 2.2欧盟的电动机能效标准自20世纪70年代起，欧洲一些电动机制造厂如德国siemens、法国 cem等公司已开发和生产了一些高效率电动机，但一直没有得到较大 的发展，1993年欧盟成立后，情况得到了明显的改观。欧盟组织对 电动机的节能潜力、政策和市场作用等进行了调研，并于1999年制 定了电动机能效标准(eu-cemep协议)；在电动机应用方面则组织开 发了高效率电动机的数据库(euro deem)。欧盟和欧

17、洲电机与电 力电子制造商协会(cemep) 达成的eu-cemep协议对电动机的效率 水平进行了分级和标识。该协议对每一规格电机规定了高、低两档效 率指标，产品效率值低于低指标的称为eff3电机，介于低指标与高指 标之间的称eff2电机，高于高指标的称effl电机，图3为该协议4 极电机的效率曲线，从图可见，低挡曲线相当于目前欧盟地区实际生 产的电机的平均效率值，而高档曲线则是目前实际电机效率分布上 限。effl电动机的损耗较eff3的损耗下降40%,针对电机每年运行吋 间为6000小时以上的场合设计。eff2电动机的损耗较eff3的损耗下 降20%,针对应用于每年运行时间为2000小时以上的

18、场合设计。effl 较eff2效率按不同功率分别提高了 15个百分点。在附表3中列出了 eu-cemep协议的效率指标。cemep估计，在欧盟范围内如用eff2电 机替代现行的eff3电札 每年可节电60亿kwh,如电费以0.05欧元 /kwh计，则每年可节约3亿欧元电费支出。一般把eff3电机称为低 效率(low efficiency)电机，eff2电机称为改善效率(improved efficiency)电机，effl电机称为高效率(high efficiency)电机。该协 议还规定了制造商应在产品铭牌上和样本数据表上列岀效率档次的 标识，以及效率数值，以便于用户选用和识别。eu-cem

19、ep协议还规 定制造商除列出额定负载时的效率数值外，还应列出孙负载时的效 率数值。eu-cemep协议所覆盖的产品为全封闭扇冷型（ip54和ip55）三相交 流笼型异步电动机，功率范围从1.190kw,极数为2极和4极，电 压为400v、50hz、s1工作制（即连续定额），标准设计（即其起动性 能符合iec60034-12中n设计的技术要求）。eu-cemep协议由cemep成员单位自愿签约后执行，并欢迎非成员 的制造商、进口商和零售商参加。目前共有包括德国西门子、瑞士 abb、英国brook cromton法国leroy-somer等36家制造公司参加, 覆盖了欧洲80%的产量，协议自199

20、9年签订并实施以来，各签约电 动机制造商均能按照协议要求，尽力减 少eff3低效率电动机的生产, 增加effl和eff2效率电动机的市场份额。各欧洲主要电动机制造商也 均已投入相当力量开发和生产符合effl级别的高效率电动机系列产 品。比如：德国siemens公司开发了 1la9系列和1lg6系列产品。1la9系列为铝壳电动机，功率范围为00630kw,极数有2极、4极 和6极；1lg6系列为铸铁机座电动机，功率范围为ll-200kw，极数 有2极、4极、6极和8极。防护型式均为ip55,效率均达到effl指 标。英国 brook crompton 公司开发的 wp premium effic

21、iency motors 系列，功率范围为075400kw,极数有2极、4极、6极和8极，效 率符合effl指标并符合英国政府所规定的最低效率指标。瑞士 abb 公司开发的m2/m3系列电动机，功率范围025710kw功率在llkw 及以上的电动机的效率均符合effl指标。2.3加拿大、墨西哥和巴西的电动机能效标准加拿大标准协会与加拿大电动机行业协会在1991年制定了一个推荐 性的电动机最低能效标准，此标准的效率指标较稍后的美国epact指 标略低。市于能源问题的重要性，1992年加拿大议会通过了能源效 率法令(eeact),其中包括了电动机的最低能效标准，并规定此标准 在1997年开始正式生

22、效。其电动机效率指标和美国的epact指标相 同。由于此标准依据法令规定强制实施，所以高效率电动机在加拿大 得到了迅速推广。加拿大渥太华电动机市场1988年高效率电动机的 份额不到4%, 1993年其份额已经超过了 60%o墨西哥和巴西也分别制定了电动机最低能效标准。墨西哥1997年制 定的效率标准与美国早期的高效率电动机标准(即nema12-9标准) 相同，到2002年在与美国签订自由贸易协定后，对该标准进行了修 订，效率标准与美国epact相同。该标准从2003年3月开始生效执 行。巴西的电动机最低能效标准仍保持与美国nema12-9相同，略低 于美国epact效率指标。2.4澳大利亚和新

23、西兰的电动机能效标准澳大利亚政府为节约能源和保护环境，自1999年起开始对家用电器 和工业设备，实施强制能效标准计划(mandatoryenergyefficiencyperformancestandards)或称 meps 计划， 由澳大利亚政府下属温室气体办公室会同澳大利亚标准委员会进行 管理。据统计澳大利亚电动机使用了澳全国用电量的30%,对应于 11%的温度气体的排放。考虑到市场机制很难自发推进这类节能产品 的应用，因此政府决定干预。澳大利亚的电动机强制性标准于2001 年10月批准生效，标准号为as/nzs1359.5o新西兰也执行此标准。 该标准功率范围为0.73185kw,具有2

24、、4、6、8极。需要在澳洲和 新西兰生产和进口的电机均需达到或超过此标准所规定的最低效率 指标。该标准可用两种试验方法进行试验，因此规定了两套指标，一 套为方法a (as/nzs 1359.102.3)的指标，对应于美国ieee112-b方 法；另一套为方法b (as/nzs 1359.102.1)的指标,对应于iec34-2, 其指标数值与欧盟eu-cemep的eff2基本相同。该标准除了规定了 强制性的最低标准外，还规定了高效率电机指标，为推荐性标准，并 鼓励用户采用。其数值与欧盟eu-cemep的effl及美国的epact相近。 近年，根据环境保护政策，澳大利亚对2001年开始实施的电动

25、机 meps计划进行了审议。在对国际上实施的电动机最低能效标准的状 况进行了分析后认为，美国和加拿大等北美国家采取强制性措施，推 行最低能效标准，取得较好效果。而欧盟采取的自愿性能效标准，高 效率电机推行速度慢，这是由于这一类节能产品的市场机制存在较大 的缺陷，无力通过市场来完成从一般效率电机到高效率电机的转变。 认为澳大利亚从2001年开始实施的电动机强制性措施是正确的，但 当时所定的效率水平应予提高。考察国际上不同地区情况，美国和加 拿大采用强制性标准，效率也较高，但美国和加拿大是60hz,澳大 利亚、新西兰是50hz,而且澳大利亚、新西兰相当一部分贸易伙伴 是50hz的国家和地区，这些国

26、家大多采用iec和欧盟的标准，并且 eu-cemep effl指标与美国的epact指标属同一水平，所以，确定以 eu-cemep effl为基础作为下阶段的强制性电动机能效标准。实施时间 定为2006年开始，以便使制造商、进口商和用户有一个准备时期。 高效电机从设计、材料和工艺上采取措施，例如采用合理的定、转子 槽数、风扇参数和正弦绕组等措施，降低损耗，效率可提高2%8%, 平均提高4%。2002年，中国电动机总容量约400gw,其中近80%为 中小型，年用电量660twh。中小型电动机平均效率87%,国际先进 水平为92%中国中小型电动机节电潜力约为12tw-ho从节约能源、保护环境出发，

27、高效率电动机是现今国际发展趋势，美 国、加拿大、欧洲相继颁布了有关法规。欧洲根据电动机的运行时间, 制定的cemep标准将效率分为effl （最高）、eff2、eff3 （最低）三个 等级，从2003-2006年间分步实施。最新出台的iec 6003牛30标准将 电机效率分为ie1 （对应eff2） ie2 （对应eff 1） ie3、ie4 （最高）四 个等级。我国承诺从2011年7月1 口起执行ie2及以上标准。随着我国加入wto,我国电机行业所面临的国际社会的巨大竞争压 力利挑战fi益加剧。从国际和国内发展趋势来看，推广中国高效率电 动机是非常有必耍的，这也是产品发展的要求，使我国电动机

28、产品跟 上国际发展潮流，同时也有利于推进行业技术进步和产品岀口的需 要。据统计，2002年我国电机耗电占全国耗电量的60%以上，其中 小型三相异步电机耗电约占35%,是耗电大户，所以开发中国高效电 动机是提高能源利用率的重要措施之一，符合我国发展的需要，是非 常必要的。目前我国工业能耗约占总能耗的70%,其中电机能耗约占工业能耗的 60%70%,加上非工业电机能耗，电机实际能耗约占总能耗的50%以 ±o而现今高效节能电机应用比例低。根据国家中小电机质量监督检 验中心对国内重点企业198台电机的抽样调查，其中达到2级以上的 高效节能电机比例只有8%o这对整个社会资源产生了极大的浪费。有

29、机构做过计算，如果将所有电动机效率提高5%,则全年可节约电 量达765亿千瓦时，这个数字接近三峡2008年全年发电量。所以说 节能电机行业的发展空间大、需求性强。 政策方面，国家标准化 管理委员会于2012年发布了强制性标准gb 18613-2012中小型三 相异步电动机能效限定值及能效等级。特点效率高，ie2比ie1平均高3%, ie3比ie1平均高近5%左右。 需使用更多高质量的材料。ie2比ie1电机成本高25%30%, ie3 比ie1电机成本高40%60%左右。由于运行温度较低，电机寿命更长，可降低维护成本。(4)典型设计情况下起动电流较大些。转子惯量较大。额定负载下转速较高，转差率

30、较小。节能措施电动机提高效率的措施。电机的节能是一项系统工程，涉及电动机的 全寿命周期，从电动机的设计、制造到电动机的选型、运行、调节、 检修、报废，要从电动机的整个寿命周期考虑其节能措施的效果，国 内外在这方面主要考虑从以下儿个方面提高电机的效率。节能电动机的设计是指运用优化设计技术、新材料技术、控制技术、 集成技术、试验检测技术等现代设计手段，减小电动机的功率损耗， 提高电动机的效率，设计出高效的电动机。电动机在将电能转换为机械能的同时，本身也损耗一部分能量,典型交 流电动机损耗一般可分为固定损耗、可变损耗和杂散损耗三部分。可 变损耗是随负荷变化的，包括定子电阻损耗（铜损）、转子电阻损耗

31、和电刷电阻损耗；固定损耗与负荷无关，包括铁芯损耗和机械损耗。 铁损又由磁滞损耗和涡流损耗所组成，与电压的平方成正比，其中磁 滞损耗还与频率成反比；其他杂散损耗是机械损耗和其他损耗，包括 轴承的摩擦损耗和风扇、转子等由于旋转引起的风阻损耗； 电机五大损耗 _、定子损耗降低电动机定子la2r损耗的主要手段实践中采用较多的方法是：（1）增加定子槽截面积，在同样定子外径的情况下，增加定子槽截 面积会减少磁路面积，增加齿部磁密；（2）增加定子槽满槽率，这对低压小电动机效果较好，应用最佳绕 线和绝缘尺寸、大导线截面积可增加定子的满槽率；（3）尽量缩短定子绕组端部长度，定子绕组端部损耗占绕组总损耗 的 圳竝

32、，减少绕组端部长度，可提高电动机效率。实验表明,端部长 度减少20%,损耗下降10%。二、转子损耗电动机转了 22r损耗主要与转了电流和转了电阻有关，相应的节能 方法主要有：（1）减小转子电流，这可从提高电压和电机功率因素两方面考虑；（2）增加转子槽截而积；（3）减小转子绕组的电阻，如采用粗的导线和电阻低的材料，这对 小电动机较有意义，因为小电动机一般为铸铝转子，若采用铸铜转子, 电动机总损失可减少10%15%,但现今的铸铜转子所需制造温度高 且技术尚未普及，其成本高于铸铝转子15%20%.三、铁耗电动机铁耗可以rh以下措施减小:（1）减小磁密度，增加铁芯的长度以降低磁通密度，但电动机用铁 量

33、随之增加；（2）减少铁芯片的厚度来减少感应电流的损失，如用冷轧硅钢片代 替热轧硅钢片可减小硅钢片的厚度，但薄铁芯片会增加铁芯片数目和 电机制造陈本；（3）采用导磁性能良好的冷轧硅钢片降低磁滞损耗；（4）采用高性能铁芯片绝缘涂层；（5）热处理及制造技术，铁芯片加工后的剩余应力会严重影响电动 机的损耗，硅钢片加工时，裁剪方向、冲剪应力对铁芯损耗的影响较 大。顺着硅钢片的碾轧方向裁剪、并对硅钢冲片进行热处理，可降低 10%20%的损耗 等方法来实现。四、杂散损耗如今对电动机杂散损耗的认识仍然处于研究阶段，现今一些降低杂散 损失的主要方法有：（1）采用热处理及精加工降低转子表面短路；（2）转子槽内表而绝缘处理；（3）通过改进定子绕组设计减少谐波；（4）改进转子槽配合设计和配合减少谐波，增加定、转子齿槽、把 转子槽形设计成斜槽、采用串接的正弦绕组、散布绕组和短距绕组可 大大降低高次谐波;采用磁性槽泥或磁性槽楔替代传统的绝缘槽楔、 用磁性槽泥填平电动机定子铁芯槽口，是减少附加杂散损耗的有效方 法。五、风摩耗 到人们应有的重视，它占电机总损失的25%左右。摩擦损失主要有轴 承和密封引起，可由以下措施减小:（1）尽量减小轴的尺寸，但需满足输出扭矩和转子动力学的要求；（2）使用高效轴承；（3）使用高效润滑系统及润滑剂；（5）采用先进的密封技术，如有无弹簧的新密封使用情况的