SMM 11月24日讯：在SMM主办的2022中国电机&永磁行业峰会上，铜陵硬核电机科技有限公司陈拯民博士给大家带来了双碳背景下永磁电机的节能应用方面的知识，并介绍了主流节能方案、轴向磁通永磁电机的特点与优势以及实际节电效果和具体应用案例。
双碳背景
政策鼓励推广使用节能电机：中国在第75届联合国大会上正式提出2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和的目标。为实现这一目标，国家连续出台《2030年碳达峰行动方案多项政策》、《电机能效提升计划》、《工业能效提升行动计划》。这些文件明确提到“针对风机、水泵、压缩机、机床等通用设备， 鼓励采用2级能效及以上的电动机、变频调速永磁电机”。
企业生产成本上升利润微薄：近年企业生产电力成本、设备维护成本等各方面在都在不断增加，但产品价格竞争激烈，企业利润微薄，因此降低生产成本，减少资源浪费，提高竞争力是企业的迫切需求。例如在纺织行业，纯棉面料价格从最高的40元/米降低到7元/米，但企业生产成本却不断上涨，采用高效的节能设备将能够有效提升企业利润。
企业碳排放指标与各地限电令压力：目前国家针对部分行业开始实行碳排放配额，同时自2020年开始各地出现限电令政策，对高耗能企业实行定时定量生产，因此企业需通过节能改造控制自己的碳排放水平以及耗电量，以便将能源消耗控制在配额范围内。
现役电机效率低、耗能高：2020年，我国电机保有量约40亿千瓦，总耗电量约4.8万亿千瓦时，占全社会总用电量的64%，但我国现役电机效率普遍不高，其中工业领域电机总用电量为3.84万亿千瓦时，约占工业用电的75%，工业领域电机能效每提高3%，即相当一个三峡年发电量。
主流节能方案介绍
采用不同类型电机实现节能
一是选用三相异步YE4、YE5系列电机，优点是结构简单，成本比YE3电机高30%-80%，但需要保证最佳工况才能达到节
能效果。
二是选用永磁电机，优点是效率高普遍达到IE4、IE5水平，体积小，起动力矩大、功率因数高等优势；但价格较传统
异步电机价格高，约1.3倍-2倍。
采用变频节能方案
风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。通过变频调速方案，可以通过降低泵或风机的转速即调节流量或风量，实现节能。
例如：小区自来水二次供水，白天半夜负载轻，晚上、中午等特定时间段负载大，通过变频实现水泵节能；集中式养殖新风系统，根据室内温度，调节风力风力大小；集中式变频空调、变频电梯（扶梯）、空压机（风压泵）。
根据不同的负载设计节能方案
轻负载工况
在实际生产环境中，设计功率常与实际使用功率不匹配，大马拉小车的情况非常严重。例如某煤矿企业装备电机实际工作常在20%负载，在此情况下异步电机在小功率负载条件下效率低，能耗高。此时建议更换小功率异步电机匹配实际负载，或者直接替换为永磁电机。
弹性负载工况
在提花机运行中，由于工艺特性，会产生弹性工况，在设备运动前半个周期，由电机带动设备做功，但后半个周期是由设备负载（弹簧）拖着电机反向功，造成能量浪费与损耗。在弹性负责工况下，一般采用加变频器+大电容方案，配合永磁电机实现电能回收和释放，以达到节能效果，根据测算约节约电能消耗30%-40%左右。
传动环节节能方案
传动环节损耗因素较多，传动环节越多损耗越大，会造成电费高、保养成本高。
轴承损耗，每个轴承约占0.1%-0.5%。
齿轮损耗，每对齿轮约占0.25%-0.8%，齿轮折断、齿面磨损、腐蚀、变形等损耗会急剧加大。常规3级减速箱传动损耗一般在1.5-3%左右。
皮带损耗，约占1%-3%，皮带过紧或皮带打滑，损耗会急剧加大。常规皮带轮传
动损耗在1.5-3%左右。
密封摩擦损耗，约占0.05%-0.8%。
直驱电滚筒
针对传动环节较多的的设备，应采用直驱方案，减少传动环节和摩擦，直驱具备保养周期长，保养成本低的优点，虽设备价格较高，但从长期看综合使用费用较低，对长期使用的单位有优势。
轴向磁通永磁电机的特性介绍
轴向磁通电机属于永磁电机，按照IEC规范效率可达IE4、IE5标准。轴向磁通电机对比传统电机的桶型结构，将定子和转子像雨伞一样展开成平面结构，形成轴向磁路。这种结构能大幅度降低电机的硅钢和铜线用量，并减小电机的体积和重量。随着主材的减少，电机损耗的主要来源，铜耗和铁耗也大幅降低，所以轴向磁通效率极高。
轴向磁通永磁电机的特点与优势
轴向磁通永磁电机相比于普通永磁电机，体积更小，重量轻、高功率密度、转矩密度大。
其体积只有传统电机约1/3，方便物流运输，节省企业物流成本约70%；重量方面，其重量只有传统电机约1/4，方便搬运安装，节省企业人工成本约60%。
此外，轴向磁通永磁电机可靠性高、寿命长。
1. 高标准用材，采用150℃耐高温52SH高标号磁钢，正常工作10年不消磁；
2. 全密封绕组不烧线圈，线圈温度正常在80℃以内；
3. 电机采用多种散热方案，让电机外壳温度低于50℃；
4. 内部结构优化，可靠性高，减少企业维护成本。
从实际节电效果来看，IE4-5等级能效替代YE2、YE3电机，实测节电率在8%-25%之间。
永磁电机应用案例
从实际应用方面来看，永磁电机可应用于石化能源行业、煤矿行业、纺织行业、水泥行业，水泵、风机等领域。
以石油能源行业为例，电机是抽油机采油生产的主要动力，占总耗电量的近50%。然而，在生产实际中，由于技术水平等问题，很多电机处于轻载、低效、高耗能的运行状态，电能浪费严重，永磁节能电机是目前石化系统最主要更换方式。
油田抽油机-永磁电机应用
抽油机由于其特殊的运行要求，所匹配的电机必须同时满足最大冲程，最大冲次，最大允许挂重的三个要求，还须具有足够的转矩，以克服抽油机启动时严重的静态不平衡。因此，往往抽油机在设计时确定的安装容量裕度较大,但实际功率却比额定功率要小的多，同时抽油机的特殊的负荷变化，使得电机的无用功增加，这都使采油系统和电机的效率较低，因此更换永磁节能电机是较为理想方式。
深入设备方案：从动力方案层面进一步降低能耗
深入企业了解电机的损耗来源
一是电机实际负载率以及选型。由于电动机选择不当，富裕量过大或生产工艺变化，使得电动机的实际工作负荷远小于额定负荷。
二是否有弹性负载工况。由于部分生产环境存在弹性负载工况，传统设计方案未涉及此项节能措施。
三是传动损耗。部分设备传动设备过多，轴承损耗，齿轮损耗，皮带损耗、密封摩擦损耗等。
四是老、旧(淘汰)型电机。这些老旧电机高耗能、低功效，启动性能差，效率低，虽经历年改造，但仍有许多地方在使用。
五是维修管理情况。有些单位对电机及设备没有按照要求进行维修保养，任其长期运行，使得损耗不断增大。
针对电机损耗设计节能方案
一、选用高效节能电动机，按需考虑其性能指标，以便节约电能。
二、优化电机系统的运行和控制，以先进的智能技术为重点，改进传统的工艺拖动、牵引拖动，推广软启动装置、无功补偿、计算机自动控制系统等技术。
三、采用直驱方案，减少传统损耗。
四、采用其他连续调速运行方式。如使用调压调速器、变极电动机、电磁耦合调速器、变频调速装置等。
五、采用高品质材料。例如从导线截面应满足载流量，减小导线电阻；电机设备使用高品质磁钢，延长使用寿命，降低损耗。
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