IE5能效等級三相異步電動機的研制

黃 堅, 顧衛東, 楊 旭, 馮俊鋒

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

0 引 言

國際電工委員會(IEC)于2008年10月發布了IEC 60034-30“單速、三相籠型感應電動機的能效分級”標準，統一了全球的電機效率標準。根據各國不同的情況，IEC 60034-30統一將電動機能效標準分為IE1、IE2、IE3、IE4等4個等級，其中IE1為最低效率、IE4為當時的最高效率等級。IEC制訂了50 Hz和60 Hz 2套標準體系，分別適用于電源頻率50 Hz和60 Hz的國家和地區；同時統一了效率的測試方法。該標準適用范圍為：額定電壓1 000 V及以下，輸出功率0.75～375 kW，極數為2、4、6極，S1連續工作制或S3斷續工作制(負載持續率為80%及以上)。

2014年，IEC發布了IEC 60034-30-1:2014標準[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，并未給出具體數值。該標準規定適用范圍為：額定電壓1 000 V及以下，輸出功率為0.12～1 000 kW，極數為2、4、6、8極，適用于所有在線運行的交流電動機。該標準已等同轉化為國標GB/T 32891.1—2016《旋轉電機 效率分級(IE代碼)第1部分：電網供電的交流電動機》[2]。

2016年，IEC發布了IEC 60034-30-2:2016標準[3]，規定了變頻器供電的各種變頻調速電機相應的效率等級，同時還第一次正式發布了IE5效率標準數值。該標準規定的適用范圍與IEC 60034-30-1相同，也已等同轉換為國標GB/T 32891.2—2019[4]。

中國的最新版強制性國家標準GB 18613—2020《電動機能效限定值及能效等級》[5]于2020年5月發布，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最高的一級能效等級指標。新國標還規定，自標準實施之日起，IE3效率將成為中國最低的三相異步電動機能效限定值(三級能效)，低于IE3能效限定值的三相異步電動機(如YE2系列電機等)不允許再生產銷售，表明中國中小型三相異步電動機效率水平再次提升了一個等級。新國標同時還將IE4效率列為二級節能評價值指標。

IEC 60034-30系列文件作為全球統一的電動機能效標準，已被世界上各個國家及相關的國際組織認可及采用。盡管IEC認為三相交流電動機達到IE4及以上效率是目前國際范圍的難題，但根據IEC電動機能效標準的最新變化，世界各國的行業同仁仍在積極努力開展符合IE4、IE5效率等級電動機的研究，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產品[6]；上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司與國內中小型電機行業多家企業共同開展了IE4能效等級的超超高效率電動機系列產品的開發[7]；格力電器珠海凱邦電機制造有限公司等開發了達到IE4、IE5能效等級的永磁輔助同步磁阻電機等[8]。

根據國際電機效率最新的發展情況，我們立項開展了IE5效率等級三相異步電動機樣機的研制工作。本文介紹了樣機研制情況和測試結果。樣機測試結果表明，效率等主要指標均達到設計要求，實現了IE5能效等級三相異步電動機研制目標。

1 樣機研制情況

1.1 樣機設計考慮

IEC 60034-30-1:2014標準[1]給出了各種類型的電動機達到各級效率等級的難易程度，如表1所示。

表1 各種類型的電動機達到各級效率等級的難易程度

IEC 60034-30-2:2016標準[3]給出的IE5效率等級標準值如表2所示。

表2 IE5效率等級標準值[3]

表1中，IEC 60034-30-1:2014標準給出了三相交流電動機達到IE5效率的可能性為“否”的結論。這一評價主要基于以下兩點：(1)目前全球范圍內實際的設計及制造水平限制;(2)國際上通行的IM安裝方式及相關外形尺寸的約束。但GB 18613—2020的發布與實施，已將IE5效率作為中國三相異步電動機的一級能效指標，這是未來幾年業界需努力探求及實現的目標。為此，結合IE5效率等級標準值，開展IE5效率等級三相異步電動機樣機的研制。

針對達到IE5效率的方法，主要從設計與工藝2個方面考慮，并選擇5個典型規格(不同功率、不同極數)開展樣機試驗驗證。

在設計方面,主要考慮采用優質的冷軋硅鋼片，針對小功率電機考慮采用鑄銅轉子工藝方案，同時開展不等匝繞組和風扇的對比試驗驗證，進一步降低電機損耗。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研制成功的經驗，主要考慮提高加工精度，減小定、轉子沖片毛刺等，進一步降低電機的空載損耗[7]。

本次IE5效率等級樣機安排了H80M1-2-0.75 kW、H100L1-4-2.2 kW、H112-4-4 kW、H160M-6-7.5 kW和H280S-8-37 kW等不同機座號、不同功率和不同極數的5個典型規格樣機的試驗驗證，其中H80M1-2-0.75 kW、H100L1-4-2.2 kW和H112-4-4 kW等3個規格樣機采用鑄銅轉子結構，H160M-6-7.5 kW和H280S-8-37 kW等2個規格樣機采用鑄鋁轉子結構。

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

表3 IE5樣機主要技術性能指標

1.2 樣機試制情況

參與IE5樣機研制的單位有上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司、安徽皖南電機股份有限公司(簡稱皖南電機)、佳木斯電機股份有限公司(簡稱佳木斯電機)、江蘇大中電機股份有限公司(簡稱大中電機)、浙江江潮電機實業有限公司(簡稱江潮電機)、山西電機制造有限公司(簡稱山西電機)、湖北寶達機電有限公司、江蘇通達動力科技股份有限公司、云南銅業壓鑄科技有限公司和北京首鋼股份有限公司等，其中湖北寶達機電有限公司和江蘇通達動力科技股份有限公司配合提供部分樣機沖片鐵心的加工，云南銅業壓鑄科技有限公司協助完成鑄銅轉子壓鑄，北京首鋼股份有限公司為樣機提供優質的冷軋硅鋼片，皖南電機、佳木斯電機、大中電機、江潮電機和山西電機等5家電機制造企業開展樣機試制。所安排的5個規格19臺樣機的試制分工情況如表4所示。

表4 IE5樣機試制分工情況

1.3 樣機性能指標和材料用量

在樣機試制單位的共同努力下，5個規格19臺樣機全部試制完成并完成了性能測試。從性能測試數據看，所試制完成的19臺樣機基本達到了設計及標準要求。下面就已完成的5個規格19臺樣機的主要性能指標試制情況進行分析。

1.3.1 樣機主要性能指標達標情況

將所試制的5個規格19臺樣機的效率、功率因數和起動性能等主要技術性能指標實測值與立項技術任務書的要求進行對比，除H100L1-4-2.2 kW規格有1臺樣機的效率指標不合格外，其他18臺樣機的性能實際測試數據全部達到技術任務書及試制用技術條件的標準要求。效率指標不合格的1臺樣機，其效率雖未達到技術任務書要求，但仍達到IE5效率等級指標的標準要求。

樣機主要性能指標具體情況分析如下。

(1)效率指標。

已完成的5個規格19臺樣機的效率實測值均達到IE5效率等級指標的標準要求，有18臺樣機的效率實測值達到本項目的標準要求，其中效率高于等于本項目標準值的樣機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。效率指標合格率為94.74%。效率指標達標情況如表5所示。

表5 IE5樣機效率指標達標情況

效率不合格的1臺樣機為H100L1-4-2.2 kW樣機。該規格樣機由2家企業共試制了5臺樣機，試驗數據如表6所示。該規格樣機的效率，本項目目標為91.49%，最小值90.21%，IE5指標為91.4%，最小值90.11%。其中2號樣機的鐵耗測試值略偏大，造成效率不合格，但該樣機的效率仍達到了IE5效率標準要求(考慮容差后的最小值為90.11%)。

表6 H100L1-4-2.2 kW樣機效率實測值對比

由表6還可知，對于H100L1-4-2.2 kW規格，還有1臺樣機的效率吃容差大于50%、2臺吃容差小于50%，表明該規格樣機達到項目效率指標的難度較高。

(2)其他指標。

5個規格19臺樣機的功率因數指標全部達到標準和設計要求，其中功率因數實測值高于等于標準值的17臺，吃容差小于50%的2臺。

5個規格19臺樣機起動電流實測值全部達到標準和設計要求，其中，吃容差小于50%的15臺，吃容差大于50%的4臺。

5個規格19臺樣機的起動轉矩和最大轉矩指標全部達到標準要求。

5個規格19臺樣機的溫升全部合格。

1.3.2 樣機材料用量對比

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

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

2 結 語

為了達到IE5這一非常高的效率指標，樣機設計時槽滿率的取值相對偏高，給樣機的試制帶來了一定的困難。比如H80M1-2-0.75 kW和H100L1-4-2.2 kW等規格樣機在試制過程中出現了下線困難等情況。通過交流與溝通，承擔樣機試制任務的企業克服了重重困難，圓滿地完成了樣機的試制。在樣機試制過程中開展了不同風扇結構型式及不等匝繞組型式的對比試驗驗證，取得了預期效果，為下一階段繼續開展工作積累了一定的經驗及數據，可供行業同仁參考及借鑒。

致謝對參與樣機試制任務的皖南電機、佳木斯電機、大中電機、江潮電機、山西電機、湖北寶達機電有限公司、江蘇通達動力科技股份有限公司、云南銅業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！