綠色制造 電機行業發展之路

岑國建 張曉斌 陳云夫

（1.寧波中大力德智能傳動股份有限公司 寧波 315301；2.杭州漢德質量認證服務有限公司 杭州 313000； 3.愛爾達電氣有限公司 臺州 317500）

引言

電機是工業機器裝備中重要核心部件之一。特別是高端機床、加工中心、機械人配套過去長期依賴進口，國內經過十多年發展，取得了長足進步。目前除產品本身質量與進口知名品牌產品確實存在一定差距外，重要原因是產品在設計、制造過程存在差距，特別是設計、研發的優勢更不明顯[1-5]，隨著國家推廣數字化設計、綠色制造，作為工業機器裝備的重要核心部件，在國內電機制造業推廣綠色制造顯得越來越多重要。

1 國內外知名企業發展史

1.1 瑞士 ABB

成立于1988年的ABB集團位于瑞典 （瑞士），是一個業務遍及全球的電氣工程集團。ABB公司產品覆蓋輸配電和電氣驅動，產品包括電力變壓器，交流和直流高、中、低壓開關柜，電力系統自動裝置，工業機器人和仿真系統，電機拖動系統。產品廣泛應用于工農業、商業、發配電和智能化控制等場合。ABB（中國）有限公司于1995年正式成立，擁有近20 000名員工，在全國不同城市開著業務。ABB(中國)有限公司2020年的銷售額接近60億美元，中國作為ABB全球第一大市場。

ABB集團重視產品技術研發，其發明了全球第一套三相輸配電系統、第一臺自冷式變壓器和第一臺工業化機器人。雖然中國作為ABB全球第一大銷售市場，但其產品研究院設置在總部。

1.2 德國西門子

成立于1847年西門子公司（SIEMENS）是世界最大的機電裝備制造公司之一，總部位于德國慕尼黑。西門子公司在全球二大證券交易市場上市（法蘭克福證券交易所和紐約證券交易所），在全球180以上國家和地區雇用員工近500 000人，全球業務銷售收入近3 000億歐元。西門子在電氣工程和電子領域擁有完善的業務組合。國際性業務包括：如發電、輸配電、醫療系統和交通技術等。

作為世界級公司，西門子及其重視技術創新及產品研發，公司有近50 000名設計、研發人員。在知識產權方面，西門子在德國高居榜首，擁有近9 000項發明。近年來，西門子把增值服務、整體解決方案作為未來的發展方向，同時在產品系列化、集成化方面進一步完善。

1.3 日本安川

有近100年歷史的日本安川電機株式會社成立于1915 年，公司重視產品研發，1958年發明DC伺服電機和Minertia電機，1977年 制造垂直多關節工業機器人MOTOMAN-L10，1978年矢量控制變頻器產品化，1988年開發真空機器人，2009年開發混合動力汽車用驅動系統，2010年大型風力發電用系統電機[Enewin]產品化。安川公司產品范圍包括變頻器、伺服電機、機器人等產品，成為全球知名的驅動控制、運動控制、系統控制的整體方案解決商。

2010年日本安川電機株式會社在中國沈陽建立首個制造基地，開始生產伺服馬達，目前在國內共有5家獨資企業。

1.4 臥龍集團

創立于1984年臥龍控股集團，經過近40年的發展，已成為中國最大的電驅動制造商。公司2021年銷售規模近200億元，擁有4家國內外上市公司（臥龍電氣（600580SH）、臥龍地產（600173SH）、臥龍-ATB（000061783AT）、臥-LJ（LIJO.SI）），目前為中國大陸不多的綜合性跨國企業集團。

2019中國制造業企業500強榜單發布，臥龍控股集團有限公司名列第227位。2020年9月16日，入選由中國機械工業聯合會、中國汽車工業協會主辦的第16屆中國機械工業百強名單，排名第11。公司產品覆蓋高壓變頻器、家用電器用電機、防爆高低壓電機、新能源汽車電機、機器人等。目前成為國內電驅動行業龍頭，2021年全年銷售規模在全球電驅動領域排名第二。

隨著互聯網大數據和智能智造的高速發展，數字革命也將成為電機行業未來發展必然面對的課題。臥龍控股集團有限公司成立“電機產業大腦平臺”，立足于電機及驅控系統產業，利用大數據及5G通信，采用云計算、區塊鏈等新一代數字技術與制造技術深度融合，提供數字設計、智能制造、檢驗認證及標準化服務的整體解決方案。同時在電機智能制造領域，臥龍控股集團建立國內第一的家用電器用電機和新能源汽車電機無人制造車間。

1.5 寧波中大力德

中大力德始創于1998年，2017年深交所A股上市。是一家集精密減速機、電機驅動、微特電機、齒輪設計研發、制造、銷售、服務于一體的國家高新技術企業。公司擁有日本關東、美國芝加哥分公司，在上海成立研究院。目前員工1 800余人，注冊資本10 400萬元，近年來起草和參與國家標準、行業標準、浙江制造團體標準共18項，擁有國家授權專利109項，其中發明11項。主導產品為：擺線針輪精密減速器、諧波齒輪減速器、精密行星減速電機、微型電滾筒、微型交流減速電機、小型伺服電機及驅動器、機器人等，其小模數齒輪減速電機銷售規模國內排名第一。

綜上，中國已成為國際知名電機制造企業主要集中區域，制造企業特點為提供電驅動整體解決方案。未來產品的供應商，不再僅僅是一個獨立的零件（部件）供應商，而是一個環節的集成供應商，具備資源整合解決方案的能力，電機、驅動器實現完美結合，同時各制造商在綠色制造方面定制差異化、個性化產品，避免同質化競爭[6-12]。

2 推廣綠色制造

2.1 建立數字化研發設計平臺

綠色制造首先涉及到設計研發，在產品設計、工藝設計、試驗設計等環節中應用數字化技術，建設協同、虛擬、綠色、并行、動態的數字化設計平臺，采用自上而下、模塊化、標準化、虛擬仿真、面向全生命周期的基于大數據分析/知識工程等設計方法，實現設計的數字化、網絡化、智能化，降低開發成本，加快開發流程，縮短上市周期，實現最佳設計目標。

1）設計研發首先應符合GB/T 24256 產品生態設計通則的規定，同時倡導數字化設計。在設計研發采用的手段有：

采用計算機輔助軟件，開展電機的電磁場優化設計；

采用計算機輔助軟件，開展電機結構設計及仿真優化；

采用計算機輔助軟件，開展電機結構重要零部件強度優化設計；

采用計算機輔助軟件，開展電機驅動控制器優化設計；

采用“潛在失效模式和后果分析（FMEA）”工具，開展產品設計和過程分析，并進行可靠性驗證。

2）設計研發應輸入的信息有：

產品執行的國內外標準或規范（包括安全、能效、有害物質、電磁兼容性等）；

產品使用環境要求（包括電源電壓及頻率、環境溫度、相對濕度、海拔高度、防護等級、噪聲限值等）；

產品配套設備特性（包括工作制、起動力距、過載能力、服務系數等）；

產品配套設備其它要求（包括安裝方式及尺寸、連接方式及尺寸、冷卻方式、絕緣等級等）。

3）設計研發時，針對電機高效節能最基本要求，以下幾方面看考慮（但不限于）：

①電磁設計方案：

合理分布定轉子齒、軛部磁密。局部磁密過大會增大激磁電流，降低電機功率因數和效率。所以，設計時保證定轉子齒、軛部磁密相近，有利于利用迭厚、匝數和線徑，優化電機參數。

增加定子槽滿率（低壓小電動機效果較好），盡量縮短定子繞組端部長度。

采用正弦繞組、分布繞組和雙層短距繞組，可大大降低高次諧波。

采用導磁性能好、厚度?。ㄈ纾?.25mm）的冷軋硅鋼片。

優秀的流體力學和傳熱學設計（風扇和散熱機殼）。

減小電機氣隙，有利于減小激磁電流，提高電機功率因數和效率。

減小零部件切削余量，有利于減小加工用電，減少二氧化碳排放。

②工藝改進方案：

采用自粘式鐵芯，對定轉子鐵芯進行退火處理，減少電渦流損耗。

使用高精度軸承和高效潤滑及潤滑劑，降低機械摩擦耗。

轉子采用離心澆鑄（大電動機效果較好），降低轉子損耗。

轉子鋁澆鑄、定子浸漆、工件熱處理等高能耗工藝過程，采用天然氣加熱，合理安排工作時和節湊，節能并降低加工過程的二氧化碳排放。

提高機殼、端蓋、轉軸加工精度，采用磁性槽泥或磁性槽楔，降低雜散損

4）設計階段應開展產品屬性指標論證，檢驗檢測作為其必要的手段。

2.2 采用智能制造裝備及工藝

1）電機制造主要工序流程見圖1。

圖1 電機制造工藝流程

2）制造工藝及裝備，主要體現在：

機殼及端蓋金加工：采用數控機床或專用加工中心加工附自動機械人上下料，機殼加工須采用一次裝夾，機殼二端面及止口一次加工成型，端蓋的端面、止口及軸承室采用一次加工成型，軸承室采用擠壓工藝。

定轉子鐵芯加工：電機沖片優先采用高速級進沖工藝及裝備，高速、新能源汽車推薦電機定、轉子鐵芯采用自粘結工藝，同時對定、轉子鐵芯采用退火處理工藝。

繞線及嵌線：采用自動繞線機，自動或半自動嵌線裝備。

絕緣處理：小功率電機采用連續浸漆工藝及裝備，中小型電機采用真空浸漆工藝加烘箱干燥工藝。

轉子鑄鋁：小功率電機建議采用壓力澆鑄工藝，中小型電機采用離心澆鑄工藝。

成品裝配：電機轉子鐵芯與轉軸裝配采用數控中頻感應加熱熱套工藝及流水線式裝備。

3）加工工藝的科學、合理，配置智能化加工裝備，滿足電機制造高質量及穩定性，上述工藝及裝備體現加工高效、節省能源、智能化加工的特點。

2.3 建立自動化檢驗檢測平臺

針對出廠檢驗要求測試時間短，準確，裝卸簡便等特點，采用微機控制自動化出廠檢驗設備，保證出廠成品百分之百符合技術標準規范。

為滿足設計驗證及型式試驗需要，采用微機控制自動化型式檢驗設備，建立EMC實驗室、噪聲消聲室及ROHS實驗室。保證電機產品符合綠色高效、環境保護（無線電干擾、噪聲及有害物質限值）要求。

電機壽命試驗時采用能量回收裝置，節約電能50 %以上。電機壽命試驗時，電機需長時間滿負荷工作，會大量消耗電能，并轉化為熱能，影響工作環境。能量回收裝置原理如圖2所示，市電整流后，單向送到直流小母線上，小母線上并聯1 個或多個變流裝置，控制相應的試驗電機進行壽命試驗。

圖2 試驗裝置原理圖

每個試驗電機聯軸一個直流發電機作為的負載，用電流控制型Boost電路控制發電機的輸出電流（負載轉矩）的大小，并將電能升壓到小母線上，從而減小從市電消耗的電能。

2.4 綠色原材料使用

電機綠色制造包含使用的主要材料符合環境保護要求，其使用的主要材料質量特性：

整機有害物質含量的限值應符合歐盟RoHS指令2011/65/EU及其修訂指令（EU）2015/863的規定。

絕緣處理采用符合GB/T 1981.6電氣絕緣用漆 第 6部分：環保型水性浸漬漆。

鐵芯采用符合T/CEEIA 261-2017 高效率電動機用冷軋無取向電工鋼帶（片）。

3 固體、液體廢物處理

1）制造商應按照GB/T 24001《環境管理體系 要求及使用指南》要求建立體系，符合GB/T 36132《綠色工廠評價通則》的評價要求。

2）固廢

電機加工過程產生的硅鋼片、鐵削廢料，應根據材料屬性，進行分類、回收處理。其它絕緣材料廢料、油漆桶等進行分類、統一送達環保處理中心。

3）廢液

電機加工過程產生的冷卻液、清洗液，推薦采用低溫真空濃縮，進行中水回用及濃縮液集中處理。其它油類液體進行分類、集中送達環保處理中心。

4 結束語

電機綠色制造涉及數字化設計、綠色制造、產品生命周期評價、綠色供應鏈管理等，在國內外制造業已形成共識。本文重點介紹了電機數字化設計要點、電機使用環保、無有害物質的主要原材料、制造工藝流程控制、工藝裝備及檢驗檢測設備選擇、固體、液體廢物處理方案。本論文介紹，對于國內電機制造同行具有一定的指導參考價值。