最新的电机效率规则点击2016年6月1日 - 现在是什么？

了解裁决的意思和哪些电机技术提供竞争解决方案。

如果你在2016年6月1日之后购买了一台连续工作的感应电机，如果它看起来与之前的版本不同，不要感到惊讶。这一天，美国能源部(DOE)的整体马力修正电机规则开始生效。在对能源独立和温室气体排放的持续关注中，全球各国政府一直在采取战略措施提高发动机效率。考虑到电动机占美国总电力消耗的38.4%，电机驱动的机械消耗了工业部门几乎三分之二的能源，即使效率提高几个百分点也会产生巨大的影响因此，效率监管一直是一个持续的过程，而且越来越严格。

经修正的整体马力电机规则比以往任何时候都适用于恒定的AC感应电机，在美国制造的持续偿税交流感应电机。[2]符合规范的感应电机可能更大，更长，更重，并且可能比其前辈更昂贵。在上行，改进电机的能耗降低将大大降低运营成本。结果是更快的投资回报率和超越电机寿命的重大节省，这可以持续多十年。在缺点，他们可能不再适用于预先存在的系统和设计的坐骑和外壳。

没有人会争议交流感应电机是行业的职位。它们是经济的，坚韧和可靠的。实际上，瑞士工厂中有4000多个电机的审计显示，平均年龄超过评级寿命的两倍。[3]尽管如此，当涉及风扇，泵，压缩机和传送带等应用 - 传统上是交流感应电机的甜蜜点 - 有一个更细致的谈话。特别是在IHP规则引入的形式，合适和功能变化的上下文中，永磁体（PM）电机和其他技术可以提供更好的全面解决方案。

提高效率
2016年6月1日生效的规则只是持续进程的最新进步。它始于1992年，通过美国能源政策法案建立的电动马力规则[2]。根据电动马力规则，1至200惠普的通用多相交流感应电机必须满足国家电气制造商协会（NEMA）节能水平（标准MG 1，表12-11）。遵循2007年的能源独立和安全法案（EISA）。EISA将于2010年12月生效，为通用1至200个HP电机提出了备用杆，以更严格的NEMA优质效率水平（MG 1，表12-12）。它还将节能标准应用于通用201-500 HP电机，并选择以前免税1至200 HP电机。

2010年，NEMA和一组其他行业利益相关者组成了汽车联盟，为美国能源部的战略提供投入，因为它开始考虑下一轮更新。联盟并没有定义一个新的效率水平，而是主张一种基于堵塞EISA漏洞和增加现有标准所覆盖的电机数量和所要求的效率水平的策略。得出了积分马力电机修正规则。在2014年5月完成，它需要从1到500马力的几乎所有单速感应电机来执行高级效率水平;此外，少量以前豁免的电机类型将被要求符合节能标准。美国能源部估计，与不符合标准的型号相比，2016年至2045年销售的产品节省了2.05 x 10E12千瓦时，或相当于约3.95亿吨碳排放。

这些规则是分阶段推出的。从最终规则发布到2016年6月1日生效，制造商有两年时间修改设计和生产设施。自生效之日起，他们不能再生产在美国使用的不符合规定的电机。然而，任何已经库存的单位都可以在不受惩罚的情况下出售。重要的是要注意，符合标准取决于电机制造商制造商，而不是最终用户。

另一个关键的DOE效率标准是“小型电机规则”，该规则要求某些连续工作的小尺寸(NEMA 48、52和56)电机达到DOE定义的效率(相对于NEMA水平)。2015年3月生效，适用于¼至3马力的电机。它的范围目前仍然有限，但预计会随着时间的推移而扩大。

到目前为止，我们一直关注美国的标准，但类似的过程正在世界各国发生(见图1)。特别是，国际电工委员会在2008年发布了IEC 60034-30。这定义了一组效率水平，指定了一组基本等同于NEMA水平的效率水平:IE1、IE2(能源效率)和IE3(高级效率)。

削减你的损失
让我们仔细看看交流感应电机的效率限制。损耗的贡献者包括从转子和定子上的绕组，构成转子和定子的叠层中的涡流的电阻损失，以及叠片中的滞后。绕组电阻是以全速运行的电动机的显着损耗机构，并且部分地解释了为什么较大的电动机本质上比较较小的电动机更有效。“电机的大小确实决定了效率，”汽油＆员工的咨询公司John Petro表示，专门从事电动机设计和应用。“如果您有一个小电机，它很难获得90％的效率。如果你有一个大型电机，它很难不是得到90％的人。“电线的电阻作为横截面积的倒数。绕组的空间越大，可以使用的线径越大，效率越大。“如果你有一个小马达，那么很难在那里打开那些放大器，因为你没有电线空间，”他补充道。“但如果你有一个大型电机，那么仍然存在相同的AMP转弯，但现在你已经有了大线的空间。所以我的抵抗力较低，因此我的效率更高。“

提高交流感应电动机效率的努力已经在多个方面进行。制造商增加了绕组中铜的含量，用铜代替了铝转子，试验了铸造转子和更薄的层压，并使用更高质量的钢或特殊的高电阻率合金层压。所有这些不仅支持了优质效率/IE3电机的生产，而且使选定的制造商能够建造超级优质/IE4和IE5电机。

运动替代品
很容易看出这些变化如何增加重量和大小，更不用说成本，到更高的效率电机。变化也增加了电机速度。所有感应电动机具有一定程度的滑动，这是转子磁场延迟定子的磁场的量。两个磁场之间的吸引力使转子“追逐”定子，使电动机能够开发扭矩。提高电机效率降低了滑动量。节能双极电机可能以3425 rpm为3580 rpm运行，以获得优质效率。根据负载，交换优质效率电机代替节能电机可能需要OEM和最终用户来修改安装的安装，而且可能是设备的马力要求。存在另一种选择 - 选择不同的电机技术，可以提供与节能模型小或小于节能模型所需的性能。

永磁电机消除了对转子绕组的需要，消除了电阻转子损失的体积。然而，与工程领域的所有事情一样，也有取舍。永磁电机需要驱动。在过去，与定速感应电机相比，这增加了解决方案的价格。然而，随着廉价驱动器的引入，这正变得不那么令人担忧。

另一个挑战是驱动降低了整个PM电机系统的效率。也就是说，在没有驱动的情况下操作PM电机是很困难的，所以任何电机系统的效率测量都已经包括了由驱动引入的损耗。在与感应电动机比较时，应该考虑到这一点。特别是当感应电机由变速驱动器(VSD)运行时，驱动信号的质量在结果中起着关键作用。增加一个驱动器会降低感应电机的效率。感应电动机被设计成能产生干净的正弦波。驱动器不会产生纯粹的正弦波，然而，并不是所有的驱动器都是平等的。两个电机驱动系统之间的任何有意义的效率比较都需要考虑到这一点，以确保齐次。

“我可以在一个永磁电机上安装三个不同的驱动器，我将为这些电机获得三种不同的效率，”Petro说。“如果我把同样的三个驱动放在感应电机上，我将得到其他三个电机的效率。同样，电机效率取决于驱动发出的信号。”

PM电机的一个甜点是需要较低速度操作的风扇应用。考虑在900 rpm运行的风扇。交流感应电机解决方案将包括直接驱动，带有八极电机的标称以900rpm操作，调节具有变速驱动器（VSD）的四极电机（1800rpm）的速度，或调整该速度通过皮带系统机械地机械机械。

高极计数的感应电动机是昂贵的，并且根据框架尺寸，它们可能无法良好运行。向系统添加VSD将效率缩小为百分比。以较低速度操作电机也放大了滑动的效果。对于以顶速运行的四极感应电机，50 rpm的单据占损失的约2.7％，但在900 rpm，该数字加倍。在500 rpm，滑动率损失10％。“您仍然需要50 rpm的滑块来产生扭矩，”Novatorque（Freemont）首席技术官Alan Crapo说，加利福尼亚州Freemont）。“当你降低和速度较低时，效率只是坠入线，而永久磁铁电机一般没有那个问题。“即使是最好的，皮带也可能效率约为90％;磨损或不正确的皮带可以降低效率降至85％甚至75％。无刷的PM电机可以提供更有效的替代方案。

由于磁铁和驱动器的成本，PM电机比感应电机的价格标签更高。在对性能和形状因素敏感的运动控制应用中，稀土磁铁的好处证明了价格溢价的合理性。对于泵和风扇等持续工作的应用，非稀土永磁电机提供了更实用的替代方案(见图2)。

聚焦通量
在稀土泡沫期间，价格飞涨促使人们寻找以更低成本实现这种经济性能的方法这导致了三维通量聚焦设计的发展，提供高达95%的铁氧体磁体效率，并在12至18个月内实现ROI。传统的轴向磁通电机通常在内部有一个转子，在外部有一个定子(反之亦然)，集中磁通设计由一对锥形转子组成，在电机的两端各有一个。磁通回路通过两个转子。定子内无磁通回路，有利于减少定子损耗。锥形气隙集中磁场，使其磁通密度可与稀土永磁电机相媲美。

因为他们是基于PM设计，电机可以提供恒定的扭矩在一个非常宽的速度范围。举例来说，他们的210帧电机相当于一个1800转/分钟的10马力电机，但相当于一个3600转/分钟的20马力电机。同时，锥形气隙使其实现非常高的效率，不仅是电机驱动，而是整个系统。Crapo说:“我认为这真的是一件很重要的事情，你可能会被仅仅看汽车数字或驾驶数字所误导，因为这确实是应用程序。”“如果你已经在使用变速驱动器，用我们的一台发动机试试也很简单。”

同步磁阻电机是连续工作感应电机的另一种选择。虽然定子的设计和构造与感应电动机相似，但这就是比较的终点。与传统的感应电动机转子不同的是，同步磁阻电动机的转子不包含导体，而传统的感应电动机的转子通过绕组电流产生磁极。相反，它由一堆层叠的薄片构成，以创建一个特定的磁通量模式。磁通和定子磁场分布之间的相互作用导致转子转动，产生转矩。

坏处是，它需要驱动力，增加成本和复杂性。从好的方面来看，转子设计大大减少了损失，允许同步磁阻电机达到IE4甚至更高的效率水平。

努力提高效率的努力，将努力延长能源独立和气候变化。永磁电机和替代技术，如同步磁阻电动机最终可能提供更有效的解决方案，以最大限度地减少电力消耗。出于这些原因，特别是因为每几乎所有制造组织都需要连续的电机，运动行业需要注意本申请区域提供的机会和责任的组合。

致谢
感谢John Malinowski, Baldor Electric Co.的工业事务高级经理和NEMA电机和发电机部门的前主席背景信息。

参考文献

1. 优质效率电机选择和应用指南，美国能源部/GO-102014-4107, 2014年2月。对类别的详细、定量的概述。
2. 积分马力修正的统治的影响，Nema，2014年4月。用户的规则意味着什么，哪些汽车有资格，哪些否则。
3. 瑞士电机效率项目EASY:结果2010 - 2014，Rita Werle，Conrad U. Brunner，Rolf Tieben，Impact Energy Inc.，瑞士摘要，©2015 Aceee夏季能源效率在工业中的研究
4. 看看稀土磁铁市场