高效电机节能设计要点和系统节能发展趋势
电机作为推动国民经济发展的重要耗能设备，效率高低直接影响能源的利用率。提高电机效率对“碳达峰”和“碳中和”目标的实现起着举足轻重的作用。国家出台政策，淘汰效率相对较低的YE2系列电机，强行推进更高效率YE3和YE4系列电机的推广和应用，超高效，超超高效电机成为工业电机应用的主流产品，YE5系列特高效电机开发推广。IE2-IE5及能效扩展IE6-IE8不同能效等级电机的能效曲线图如图1所示。GB18163-2020《电动机能效限定值及能效等级》规定自2021年6月1日起，我国生产的电机最低能效等级为IE3，禁止生产使用IE2及以下能效等级的电机。
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高效电机节能设计要点
高效电机的效率高，损耗相对较少，使用过程中可以达到节能降耗目的。电机设计时通过优化设计电磁方案，采用先进的制造工艺，使用优质电工导磁材料和绝缘材料等措施来提高电机的效率等级。
高效电机在设计方面采用准正弦绕组，减少谐波损耗；使用Ansys Maxwell电磁设计程序进行电磁场仿真设计，保证电磁结构合理；利用有限元软件进行电机流体场分析，确保电机在满负荷运转过程中温升合格。高效电机的加工制造工艺，为保证关键零部件的形状和位置公差在合格范围内，机械加工采用卧式加工中心，进行柔性化生产制造；机加工设备进行两次装夹，完成机座所有尺寸的加工；端盖，轴承套的加工采用组合单元，部件一次装夹，完成端盖，轴承套的粗车或精车工序，在提升效率的基础上，确保加工质量及形位公差合格。
高效电机在材料选用方面有较大提升。为降低铁耗，定、转子铁芯采用无取向冷轧硅钢片；对于高端产品，硅钢片利用粘贴技术，进一步降低损耗。由于我国稀土矿产丰富，随着稀土永磁材料的开发和利用，永磁高效电机发展迅速。绝缘材料选择方面，重点提高主要绝缘材料的综合性能，提升绝缘材料的电气强度，研发高导热系数的绝缘材料，降低电机温升，提高电机运行效率。绕组槽内线圈固定采用磁性槽楔，有效降低铁芯齿部谐波产生的空载附加损耗和电磁脉振损耗，减少励磁电流，改善功率因数，提升电机运转效率。
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2 高效电机系统节能的发展趋势
高效节能是全球电机制造业总体发展趋势。近几年，政府大力提倡并推进新旧动能转化，提出绿色发展，节能减排的战略发展目标，其中，工业节能被确定为国家节能减排重点。电机作为各行业应用最广泛的基础电气设备，是工业能源转化的重要载体，电机运行效率提升是工业节能的重点。随着装备制造业技术水平提高，电机零部件的生产加工不断吸收消化国外先进的工艺制造技术，企业技术研发团队与科研院所和高校科研院系对接，研发出适合国产电机制造的先进工艺和智能制造技术，定子自动嵌线和自动压装机，以及自动喷涂设备的推广应用，标志着电机生产制造技术日趋成熟。针对全球电机，电气定制化的发展格局，积极进行技术创新和设备改造，适应电机及其控制系统向高效性，高可靠性，轻量、小型、直驱化，智能化控制方向发展的总体目标。
2.1高效性是电机本体节能的必然要求
高效性，以目前市场现状，全国电动机效能每提高一个百分点，每年可以节约280多亿千瓦电能，如果电机系统效率提高3%-5%，每年节约的电量相当于三峡水库的年发电量。由于电机节能的潜力巨大，所以电机高效性将一直是电机制造技术提升的发展方向。以5.5KW，同步转速1500r/min的三相异步电动机为例，YE3，YE4，YE5对应的最低效率标准限值分别为89.2%，90.9%，93.4%，分别对应GB18163-2020《电动机能效限定值及能效等级》国家标准的三级能效，二级能效和一级能效。2021年6月，国家出台强制性政策，最低生产三级能效YE3系列电机，鼓励生产二级能效YE4系列和一级能效YE5系列电机。电机类耗能产品一直向着更高效率发展，是国家节能减排落实的必然要求，也是“碳中和”与“碳达峰”目标能否实现的重要途径。
2.2高可靠性是电机使用需要考虑的首要因素
高可靠性是用户选择电机需要考虑的首要因素。特别是轨道交通类，风电类，海洋和航空等特种设备用电机，由于维护检修的成本高，要求电机适应恶劣环境工况的适应性更强，运行寿命更长。例如轨道交通类电机，电机的可靠性直接关系到广大人民的生命安全，设计过程中需充分利用高可靠性绝缘工艺技术，结构件的防振防松技术，轴承结构及防蠕动技术，机械密封防尘防护技术等现代前沿技术措施，提高电机在恶劣环境下的适宜性，保证持续正常运行。电机寿命长短与绕组温升有直接关系，提高电机效率，可有效降低定子线圈温升，提高电机的使用运转可靠性，从而延长电机使用寿命。
2.3轻量、小型、直驱化是电机节材降耗的有效途径
轻量、小型化的定制设计制造。电机的轻量、小型化可有效节约材料，节省空间。设计过程中，通过采用先进的设计制造技术和优质低耗的原材料，优化电磁设计，进行结构重组优化，在有效材料用量不变的条件下，提高单位功率材料利用率。另外，在一些特殊领域，如航空航天产品，电动车辆、数控机床、计算机、视听产品、医疗器械、便携式光、机、电一体化产品，对电机提出体积小、重量轻的要求。国内多家研究机构和电机生产企业为实现电机小型化，积极合作研究，开发出铸铜转子电机解决方案。为充分利用铜的特点，发挥铸铜转子电动机的研发优势，对现有机座号电动机进行优化设计，可缩小一到两个机座号，采用定制化设计制造，在保证电气性能的同时，达到体积缩小、重量减轻、成本降低、提升效率的目的。
电机直驱化，利用电机直接驱动工作系统，设备整体结构更加紧凑，可实现设备更高的动态机械性能、精度、以及成本效益。由于简化了机械传动部件—减速器或皮带，电机直接驱动设备运转，可显著提高设备总体效率和智能化控制水平，降低驱动系统的总体耗能成本。
2.4智能化控制系统是电机系统节能和智能制造的重要发展途径
电机智能化控制系统是随着工业驱动控制领域与大数据平台发展融合，开发出的新型电机控制系统—智能化电机与控制一体化系统。智能化控制系统集成电机的运行、诊断、保护、控制、通讯等功能于一体，可实现电机系统的自我诊断、自我保护、自我调速、远程控制等功能；大数据技术和云计算技术相结合，可实现对电机故障和寿命的提前预测，对电机能效进行自适应管理，从而达到高效节能和智能制造控制技术双重发展。随着我国装备制造业向高、精、尖方向发展及工业化、信息化两化融合，智能化电机与控制系统的发展和应用，将成为电机系统节能和智能制造的重要发展途径。
3. 结论
随着低碳经济发展和信息化技术的提高，国家相应节能减排措施加快推进落实，通用异步电机永磁化，低速异步电机直驱化，高速电机永磁化，电机动力控制一体化，已成为电机制造业发展的必然趋势。在使用高效电机的同时，如何使运行设备总体效率提升，提高资源利用率，是电机制造和智能控制系统进行效率提升需要解决的关键问题。电机系统总体效率的提升，应从电机选择和设备功率匹配和智能化控制入手，综合考虑各种损耗要素，采用先进的系统设计方法和优质零部件的选择，减少中间传动环节不必要的浪费，实现设备运转系统的总体效率最大化。