溫總理在“政府工作報告”中提出了“今年單位國內生產(chǎn)總值能耗降低4％左右”的節能宏觀(guān)調控目標，從而將節能提至前所未有高度。對電機行業(yè)來(lái)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(hù)，因此中小電機的節能是電機行業(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(dòng)機行業(yè)的現狀和發(fā)展趨勢

　　現狀

　�。�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(jiàn)企業(yè)大多集中在沿海地區。

　�。�2）由于新興的民營(yíng)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(hù)”集中。

　�。�3）中小型電動(dòng)機已完整地建立了三相異步電動(dòng)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(guò)引進(jìn)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(dòng)機，采用新穎的箱式結構，是目前國內中型高壓電機的主導產(chǎn)品，以后又隨著(zhù)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(dòng)機。

　　1996年以電科所為首組織有關(guān)廠(chǎng)家完成了Y2系列的開(kāi)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(zhù)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(chǎng)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中能耗限定值的規定，同時(shí)也達到歐洲eff2效率標準，并且主要性能指標達到國際同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

　　發(fā)展趨勢

　　a、進(jìn)一步推廣高效率異步電動(dòng)機

　　1992年美國能源部發(fā)布了新的能源法規，提出了高效率三相異步電動(dòng)機的效率標準（即EPACT指標），并規定從1997年10月24日開(kāi)始，凡制造和進(jìn)口一般用途電動(dòng)機效率必須符合這一標準。以后又更進(jìn)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(huì )（CEMEP）制定了eff1、eff2、eff3三個(gè)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(shí)施《中小型三相異步電動(dòng)機能效限定值及節能評定值》的國標（GB18163-2002）。因此借著(zhù)節能的規劃和“以冷代熱”的法令，應該大力推廣Y3新系列，使之成為我國低壓三相異步電動(dòng)機的主導產(chǎn)品，且新一輪的派生系列產(chǎn)品也應在Y3新系列上展開(kāi)。

　　b、進(jìn)一步推廣變頻器供電的三相異步電動(dòng)機系列的研發(fā)與應用

　　近年來(lái)，國民經(jīng)濟各部門(mén)對風(fēng)機和水泵需求不斷增長(cháng)，據有關(guān)部門(mén)統計，全國風(fēng)機、水泵電動(dòng)機裝機總容量約35000MW，耗電量約占全國電能耗量的40％左右。以火力發(fā)電廠(chǎng)為例，據統計全國火力發(fā)電廠(chǎng)的送風(fēng)機、引風(fēng)機、一次風(fēng)機、排粉風(fēng)機、鍋爐給水泵、循環(huán)水泵、凝結水泵和灰漿泵等的配套高壓電動(dòng)機總容量約為15000MW，這些設備為長(cháng)期連續運行但常處于低負荷及變負荷的運行狀態(tài)，因此其節能潛力很大。據估計通過(guò)變頻器調速提高風(fēng)機、水泵系統運行效率的節能潛力每年可達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(chǎng)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用是十分有意義的。目前國際上對高壓電動(dòng)機變頻調速技術(shù)的研究非�；钴S，變頻器種類(lèi)繁多。我國高壓電動(dòng)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(shí)現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)，變頻器驅動(dòng)的電動(dòng)機功率在3500KW以下。

　　國外變頻器基本已做到開(kāi)環(huán)、閉環(huán)以及無(wú)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)內在變頻器調速系統方面已開(kāi)展了許多研究，當務(wù)之急是如何將理論知識轉化為工業(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(dòng)機提出了新的要求。以往對配套電動(dòng)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(dòng)機損耗增加、溫升升高、振動(dòng)加大、噪聲增大以及諧波轉矩增大等方面。近年來(lái)，隨著(zhù)IGBT在變頻器中的應用，載波頻率甚至高達20K，由此帶來(lái)一系列負面影響，如高頻的PWM脈沖波嚴重影響電動(dòng)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(diǎn)蝕，從而縮短電動(dòng)機壽命。對此電科所及有關(guān)廠(chǎng)家已完成了YVF2系列變頻專(zhuān)用電機的開(kāi)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(xiàn)》的項目，該種漆包線(xiàn)耐受高頻脈沖能力為普通線(xiàn)的51倍。

　　此外變頻電動(dòng)機的供電電源經(jīng)高頻調制，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(dòng)機的典型應用與前景

　　永磁同步電動(dòng)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強度、矯頑力和磁能積均高的特點(diǎn)，自上世紀80年代以來(lái)，又成功解決了釹鐵硼材料的熱穩定性和耐腐蝕問(wèn)題，因此用于同步電動(dòng)機可省去激磁繞組，因無(wú)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；由于無(wú)需集電環(huán)和炭刷，也簡(jiǎn)化了結構，提高了可靠性。

　�。�2）電力電子器件和技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展了各種高性能變頻器和專(zhuān)用變頻器，解決了同步電動(dòng)機無(wú)法自起動(dòng)問(wèn)題，使復雜的阻尼導條和端環(huán)得以取消。

　�。�3）易于實(shí)現磁場(chǎng)定向控制的矢量變換控制，使永磁同步電動(dòng)機具有和直流電動(dòng)機一樣優(yōu)良的線(xiàn)性轉矩控制特性。

　�。�4）DSP快速數字信號處理器和各種高性能專(zhuān)用伺服驅動(dòng)器為各種復雜系統的實(shí)現提供了技術(shù)基礎。

　　永磁同步電動(dòng)機發(fā)展的機遇

　�。�1）更高的綜合節能效果

　　永磁同步電動(dòng)機由永磁體激磁，無(wú)需勵磁電流，故可顯著(zhù)提高功率因數（可達1甚至容性）；定子電流小，定子銅耗顯著(zhù)減��；轉子無(wú)銅耗（三相異步電動(dòng)機轉子繞組損耗約占總損耗的20～30％），因而發(fā)熱低，可以取消風(fēng)扇或減小風(fēng)扇，從而無(wú)風(fēng)摩耗或減少風(fēng)摩耗，故永磁同步電動(dòng)機一般比同規格異步電動(dòng)機效率可提高2～8％，并且在很寬的負載變動(dòng)范圍內始終保持高的效率和功率因數，尤其在輕載運行時(shí)節能效果更顯著(zhù)。

　�。�2）可滿(mǎn)足某些工業(yè)應用需大的起動(dòng)轉矩和最大轉矩倍數的動(dòng)態(tài)需求

　　常規異步電動(dòng)機起動(dòng)轉矩倍數和最大轉矩倍數都有限，為達要求??狀態(tài)，異步電動(dòng)機則又處于輕載運行狀態(tài)，效率和功率因數均較低。例如為油田抽油機設計的具有異步起動(dòng)能力的永磁同步電動(dòng)機，起動(dòng)轉矩倍數可達3.6倍以上，效率可達94％，功率因數可達0.95，既滿(mǎn)足了負載動(dòng)態(tài)時(shí)大轉矩的要求，還具有很高的節能效果。

　�。�3）低速直接驅動(dòng)的需求

　　為了提高控制精度、減小振動(dòng)噪聲、杜絕油霧帶來(lái)的不安全，也為了大轉矩驅動(dòng)的需求，近年來(lái)對低速電動(dòng)機的需求也不斷增長(cháng)。如用于電梯拖動(dòng)的永磁同步曳引機，轉矩提高了十幾倍，取消了龐大的齒輪箱，通過(guò)曳引輪直接拖動(dòng)轎廂，明顯減小了振動(dòng)和噪聲。又如船用吊艙式電力推進(jìn)器，將低速大轉矩的永磁同步電動(dòng)機置于船艙外的吊艙，無(wú)需原來(lái)的傳動(dòng)系統，直接驅動(dòng)螺旋槳，實(shí)現船舶的運行和控制。這是船舶驅動(dòng)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(zhuān)用油輪等。西門(mén)子公司吊艙式推進(jìn)器中PMSM容量已達30000KW。

　�。�4）多極高功率因數的需求

　　近年來(lái)，永磁同步電動(dòng)機朝著(zhù)多極化發(fā)展，多極電機可顯著(zhù)減小定、轉子鐵心軛部高度，從而減小電機體積、減少鐵心用量。多極電機還顯著(zhù)減小了定子端部長(cháng)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(dòng)機，轉子采用60極結構，顯著(zhù)縮短了定子線(xiàn)圈端部長(cháng)度，實(shí)現無(wú)機房電梯。若仍用異步電動(dòng)機驅動(dòng)，隨著(zhù)極數增加，其功率因數明顯降低，在輕載和空載時(shí)，功率因數將更低，因此在Y型系列電機中，10極電機已不多見(jiàn)。而該60極永磁同步電動(dòng)機功率因數高達0.98，空載、輕載時(shí)甚至可達1，節能效果明顯。

　�。�5）高功率密度的需求

　　艦船、車(chē)輛受體積所限，要求電動(dòng)機要有高功率密度、高轉矩密度。永磁同步電動(dòng)機由于無(wú)需激磁繞組，空間結構小，高性能的釹鐵硼永磁材料具有高剩余磁感應強度和高矯頑力，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。傳統電機的齒槽結構，約束著(zhù)磁負荷和電負荷的關(guān)系，過(guò)高的磁負荷將減小放置繞組的空間，成為實(shí)現高功率密度的瓶頸。1986年德國H.Weh教授首先提出橫向磁場(chǎng)永磁電機（TransverseFluxPMMachine－TFM）的設想，該設想一反傳統結構，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、大轉矩、低速和直接驅動(dòng)的場(chǎng)合。橫向永磁電機我國目前還處于實(shí)驗研究階段。英國研制的用于艦艇的橫向磁場(chǎng)電機，功率達10MW，轉速為180r/min。此外橫向磁場(chǎng)電機在風(fēng)力發(fā)電和海洋潮汐發(fā)電中也有應用。

　�。�6）運動(dòng)控制系統的需求

　　目前電氣傳動(dòng)技術(shù)已從簡(jiǎn)單的速度控制發(fā)展到運動(dòng)軌跡控制。由于永磁同步電動(dòng)機比異步電動(dòng)機更易于實(shí)現磁場(chǎng)定向矢量變換控制，因此近年來(lái)永磁同步伺服電動(dòng)機系統成了高精度數控機床、機器人等高科技設備的主流。在某些場(chǎng)合，甚至實(shí)現了100000∶1的調速范圍和小于1～2％的低速轉矩波動(dòng)。外國產(chǎn)品幾乎占據了國內所有市場(chǎng)，功率一般為20W～15KW。我國交流伺服電動(dòng)機和驅動(dòng)器，尚處在發(fā)展初期。

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

　　隨著(zhù)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，具有高速反應能力的直線(xiàn)驅動(dòng)伺服技術(shù)─所謂零傳動(dòng)方式應運而生。由于消除了傳統機械傳動(dòng)鏈所具有的一系列不良影響，因而極大地提高了進(jìn)給系統的快速反應能力和運動(dòng)精度，成為新一代數控機床中最具代表性的先進(jìn)技術(shù)之一。目前國外采用直線(xiàn)電機的伺服系統可達到小于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(mén)子公司的永磁式直線(xiàn)同步電動(dòng)機最大移動(dòng)速度為200m/min，最大推力達6600N，最大位移為504mm，應用于高速銑床、曲柄車(chē)床、超精密車(chē)床等。直線(xiàn)電機伺服系統亦還有著(zhù)需進(jìn)一步研究的問(wèn)題，如直線(xiàn)電動(dòng)機是直接驅動(dòng)被控制對象，系統沒(méi)有任何中間緩沖過(guò)程，參數攝動(dòng)、負載擾動(dòng)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(kāi)展和推動(dòng)永磁同步電動(dòng)機系統的應用和研究，對節能和滿(mǎn)足上述各種需求是具有重大戰略意義的。