自2021年6月1日起，我国正式实施最新的电机能效标准《GB18613-2020电动机能效限定及能效等级》。本标准实施后，三相异步电动机能效限定值达不到IE3的电动机不得再生产、销售和采购。

去年年底，工信部和市场监管总局联合发布了《电机能效提升计划（2021-2023年）》。文件中特别强调，到2023年，高效节能电机年产量达到1.7亿千瓦，在用高效节能电机占比达到20%以上，实现年节电490亿千瓦时，相当于节约标准煤1500万吨，减少二氧化碳排放2800万吨。

因此，电机企业要在技术、设备、工艺、材料、销售等方面做好充分准备。

那么，高效电机有哪些技术路线？目前，主要有五条技术路线：

三相异步电动机

它是一台三相异步电动机。它是一种工业电机，功率范围从几瓦到几万千瓦，应用范围很广。主要用于风机、泵、压缩机、机床、轻工和矿山机械、农业生产中的脱粒机和研磨机、农副产品中的加工机械等。

图：YE4系列三相异步电动机(来源：华力集团官网)

其优点是结构简单，制造容易，价格低廉，运行可靠，经久耐用，运行效率高，铸铝转子，设计难度小，产业链成熟，规格齐全等。缺点是功率因数差，总是小于1；目前，它不能经济地大范围平滑调速。

因此，三相异步电动机的传统应用是在恒速的情况下，但现在越来越多的三相异步电动机使用变频器(VFD)或变速驱动。变频器可以根据频率调整输出电压。如果应用在离心风机、泵或压缩机上，可以达到和感应电机一样节能的效果。

目前高能效IE4以上的三相异步电机有YE4、YE5系列等。也就是说，需要开发YE4和YE5系列三相异步电动机。

铸铜转子三相异步电动机

二、铸铜转子三相异步电动机。其实也是一种三相异步电机，只是转子是铸铜的。因为铜的电阻率比铝低，所以会降低转子的电阻，从而降低转子损耗，提高电机的效率。

但也带来了一个问题，就是对铸造技术和设备的要求更高。目前IE4标准以上的铸铜转子三相异步电动机有YZTE4系列等。

自起动永磁同步电机

三是自起动永磁同步电机。该系列电机的特点是转子采用铸铝或铜排焊接，设计难度大，产业链成熟，成本高，规格齐全。缺点是起步冲击大，速度无法调节。

目前该系列IE4标准电机为TYE4系列自起动永磁同步电机。

变频调速永磁同步电机

四频变速永磁同步电机，又称BLDC电机。其特点是转子有永磁体，但没有导杆。它最大的优势是免维护，效率高，设计难度一般，产业链成熟，规格齐全。但是因为需要配置控制器，成本比较高，经济性差。

图：变频永磁同步电机

这种电机也是近几年的热点，很多企业都在做，尤其是半导体企业更加重视。因为PMSM的控制需要大量的芯片产品，比如MCU、DSP等微处理器，MOSFET、IGBT等功率器件，传感器等等。

当然，除了它的优势，永磁同步电机，或BLDC电机，也有一些发展瓶颈要面对，如功率密度，材料，和生产技术。

同步磁阻电动机

五是同步磁阻电机。它的工作原理是利用转子不均匀磁阻产生的扭矩。转子由铁磁材料和非铁磁材料组成。没有永久磁铁，也没有绕组。这是其中之一

另外，同步磁阻电机的控制策略与永磁同步电机非常相似，可以采用矢量控制和直接转矩控制。

尽管同步磁阻电机的设计难度更大，但它可以轻松满足IE4甚至IE5标准。

结语

以上是IE4及以上电机标准的五大主要技术路线。当然，为了实现更高效电机的设计和生产，需要开发上游关键材料，如绝缘材料、冷轧硅钢片等；设备(主要是冲床)，下游产品如风机、泵、压缩机等。

也就是说，我们需要优化电机产业结构，从而提高高效电机产品的开发和供应能力。作为一个工业大国，电机产品在很大程度上取决于国家的发展速度和产业政策。因此，如何抓住市场机遇，及时调整产品结构，开发适销对路的产品，选择差异化的节能电机产品，遵循国家产业政策是关键。从全球来看，电机行业正朝着高效节能的方向发展，发展潜力巨大。

一高效电机的节能措施

提高电机效率的措施。电机节能是一项系统工程，涉及电机的整个生命周期。从电机的设计制造到电机的选择、运行、调整、维护和报废，都要从电机的整个生命周期考虑节能措施的效果。在这方面，国内外主要从以下几个方面考虑提高电机的效率。

节能电机的设计是指运用优化设计技术、新材料技术、控制技术、集成技术、试验检测技术等现代设计方法。减少电机的功率损耗，提高电机的效率，设计出高效的电机。

当电机将电能转化为机械能时，也会损失一些能量。典型的交流电机损耗可分为三部分：固定损耗、可变损耗和杂散损耗。可变损耗随负载变化，包括定子电阻损耗(铜损)、转子电阻损耗和电刷电阻损耗；固定损耗与负载无关，包括铁损和机械损耗。铁损由磁滞损耗和涡流损耗组成，与电压的平方成正比，磁滞损耗与频率成反比。其他杂散损耗是机械损耗和其他损耗，包括轴承的摩擦损耗和风扇、转子旋转引起的风阻损耗。

二高效电机的特点

1.节约能源，降低长期运行成本，非常适用于纺织、风机、水泵、压缩机。节约一年电可以收回电机的购买成本；

2.异步电动机完全可以用直接起动或用变频器调速来代替；

3.稀土永磁高效节能电机本身比普通电机节约电能15%以上；

4.电机的功率因数接近1，提高了电网的品质因数，无需增加功率因数补偿器；

5.电机电流小，节省输配电容量，延长系统整体运行寿命；

6.节能预算：以55kW电机为例，高效电机比一般电机节电15%，电费按每千瓦时0.5元计算。使用节能电机后一年内通过节约用电可以收回更换电机的费用。

高效电机的优点

直接启动，异步电机完全可以替代。

稀土高效节能电机本身比普通电机节省电能3%以上。

一般电机的功率因数高于0.90，可以提高电网的品质因数，不需要增加功率因数补偿器。

电机电流小，节省了输配电容量，延长了系统的整体运行寿命。

驱动器可以实现软启动、软停止和无级调速，节电效果进一步提高。

三电机的五大损耗

定子损耗

降低电机定子I^2R损耗的主要手段有：

1.增加定子槽的横截面积。在定子外径相同的情况下，增加定子槽的截面积会减小磁路面积，增加齿的磁密；

2.提高定子槽的满槽率，效果良好

电机的转子I^2R损耗主要与转子电流和转子电阻有关，相应的节能方法主要有：

1.降低转子电流，可以从两个方面考虑：提高电压和电机功率；

2.增加转子槽的截面积；

3.降低转子绕组的电阻，比如使用粗导线和低电阻的材料，对于小型电机是有意义的，因为小型电机一般都是铸铝转子。如果采用铸铜转子，电机的总损耗可降低10% ~ 15%。但现在铸铜转子制造温度高，技术还没有普及，其成本比铸铝转子高15% ~ 20%。

转子损耗

可以通过以下措施降低电机的铁损：

1.降低磁场密度，增加铁芯长度来降低磁通密度，但电机用铁量会相应增加；

2.减少铁屑的厚度以减少感应电流的损失。比如用冷轧硅钢片代替热轧硅钢片，可以减少硅钢片的厚度，但薄铁屑会增加电机制造的铁屑数量和陈本；

3.导磁率可以用来冷轧硅钢片，减少磁滞损耗；

4.采用高性能铁屑绝缘涂层；

5.热处理和制造工艺，铁屑加工后的残余应力会严重影响电机的损耗。加工硅钢片时，切割方向和冲切应力对铁芯损耗影响很大。沿轧制方向切割硅钢片，并对硅钢片进行热处理，可降低10% ~ 20%的损耗。

铁耗

目前对电机杂散损耗的认识还处于研究阶段，降低杂散损耗的一些主要方法如下：

1.采用热处理和精加工，减少转子表面短路；

2.绝缘转子槽的内表面；

3.通过改进定子绕组设计减少谐波：

4.改善转子槽的匹配设计和匹配以降低谐波，增加定子和转子齿，将转子槽设计成斜槽，采用串联的正弦绕组、分散绕组和短距离绕组可以大大降低高次谐波；用磁性槽泥或磁性槽楔代替传统的绝缘槽楔，并用磁性槽泥填充电机定子铁芯的槽，是降低附加杂散损耗的有效方法。

杂散损耗

应该引起人们的重视，它约占总运动损失的25%。摩擦损失主要由轴承和密封件引起，可通过以下措施减少：

1.最小化轴的尺寸，但满足输出转矩和转子动力学的要求；

2.使用高效轴承；

3.使用高效的润滑系统和润滑剂；

4.采用先进的密封技术。