一文徹底了解電機效率

工作中經(jīng)常解釋與效率有關的概念和規(guī)律，索性專門開一篇把從頭到尾捋清它。面向的人群較廣，公眾號編輯公式也麻煩，所以本期就是文字加極少張圖表了。

效率是電機輸出的軸功率與輸入的電功率之比，是評價電機的重要指標之一。在氣候變化、雙碳目標的大背景下，提升效率是電機行業(yè)永恒的追求。

電功率是有功功率，所以效率高就意味著節(jié)能。功率因數(shù)影響的是視在功率，與節(jié)能沒有直接的關系。

輸入功率與輸出功率之差是損耗，損耗越小效率越高。

工頻運行的三相異步電動機，損耗通常可分為五部分：定子銅耗、定子鐵耗、轉(zhuǎn)子銅(鋁)耗、 風摩(機械)耗和雜散損耗。

定子銅耗與定子電阻、電流有關；定子鐵耗通常包含空載雜散損耗，與硅鋼片材質(zhì)、疊壓工藝、磁通密度和電源頻率有關；轉(zhuǎn)子銅耗與電機的輸出功率和轉(zhuǎn)差率成正比；風摩耗由軸承摩擦和旋轉(zhuǎn)件的空氣阻力產(chǎn)生，與電機轉(zhuǎn)速有關；雜散損耗一般特指負載雜散損耗，與輸出轉(zhuǎn)矩成正比，也與電機的電磁設計、工藝方法和制造水平有關?？倎淼恼f，定子銅耗和鐵耗是電機損耗的主要部分。

可以看出，電機做好后電壓額定時，定子鐵耗和風摩耗與負載大小(輸出功率)幾乎無關，兩者之和稱為恒定損耗；定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗和雜散損耗隨負載變化而變化，是可變損耗。顯然，負載越大可變損耗隨之增加。好的設計，是電機在額定負載時恒定損耗約等于可變損耗，這時電機有較高的效率。

提高電機的效率，無非是從以上方面入手：加大體積，既可以增加電磁線截面積減小電阻，也可以增加鐵心用量減小磁通密度，還可以降低電機溫升選用小風扇以降低風摩耗；選用高牌號的硅鋼片降低鐵心單位重量的鐵耗；選用鑄銅或銅條轉(zhuǎn)子減小轉(zhuǎn)差率降低轉(zhuǎn)子銅耗；改進和提高工藝水平降低負載雜散損耗。

如上圖，在額定電壓和額定頻率下，電機的效率與輸出功率之間的關系可用效率曲線表示。通常額定負載附近效率最高，隨著負載的減小，效率逐漸降低。如果電機的額定效率足夠高，那么效率隨負載降低的程度就比較慢(若額定效率是99%，那么50%負載時效率一定大于98%，10%負載時效率一定大于90%)，原因請讀者自行分析。

實際上，電機廠家了解到，用戶選擇電機時留有一定的裕量，實際使用功率往往達不到額定功率。這樣設計時會把最高效率點設置在75%負載附近，節(jié)能效果更好。如果運行時負載波動較大，用戶可能更關心不同負載點效率的平均值，這其實是要求恒定損耗小一些。

工頻供電的永磁電機，基本適用異步電機的分析方法，但有兩點不同：第一無轉(zhuǎn)子銅耗（永磁體渦流損耗很小），綜合其它因素后永磁電機的效率較異步電機高不少；第二定子鐵耗和風摩耗不易分離（停電后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)仍然有鐵耗存在，所以永磁電機停機較快）。

以上分析的是單臺電機的效率，接下來討論相同電磁負荷和電磁材料、相似結(jié)構(gòu)和工藝制造水平時，不同規(guī)格電機之間的效率比較。為了突出主要矛盾，我們以定子銅耗和定子鐵耗代表損耗。

額定功率與額定效率之間的關系。額定功率3kW的電機，和額定功率300kW的電機相比，哪個效率高？我們都知道是后者。這是因為，電機的額定功率與電機的體積的4/3次方成正比，而損耗與體積成正比，即功率增加的比損耗快，所以功率越大效率越高。

額定轉(zhuǎn)速與額定效率之間的關系。我們知道電機常數(shù)，即電壓、功率都相同時，轉(zhuǎn)速越低，電機的體積越大。那么同樣是90kW，額定轉(zhuǎn)速150轉(zhuǎn)的電機，和額定轉(zhuǎn)速是1500轉(zhuǎn)的電機，哪個效率高呢？因為150轉(zhuǎn)的電機體積遠大于1500轉(zhuǎn)的，而電磁負荷相當嘛，所以150轉(zhuǎn)的電機損耗也遠大于1500轉(zhuǎn)的。所以轉(zhuǎn)速越低，效率也越低。當然也不是轉(zhuǎn)速越高效率越高，通常來講額定轉(zhuǎn)速1500rpm的電機效率是最高的。這是因為第一高速電機不可避免的要提高額定頻率，而即使磁密不變，頻率越高鐵耗越大；第二轉(zhuǎn)速越高，風摩耗越突出?？赡苡凶x者要問，那為什么工頻下2極電機(3000轉(zhuǎn))的效率低于4極電機(1500轉(zhuǎn))呢？除了3000轉(zhuǎn)時風摩耗更大外，主要是因為2極電機的材料利用率偏低，它每極下的定子軛部面積大所以鐵耗大，線圈端部連接線長所以銅耗大。

額定電壓與額定效率之間的關系。轉(zhuǎn)速、功率都相同的話，額定電壓380V的效率高，還是額定電壓3300V的效率高？當然兩種電機的制造工藝不同，有些不太好比較。不過我認為總的來說，低壓電機的效率會高一些。因為電壓越高，絕緣材料用量越多，降低了電磁材料的利用率，使得損耗會大一些。

以上，看圖說話。下圖IE4電機的效率指標，可以很明顯的看出相關規(guī)律。這個標準的額定電壓是380/660V，高壓電機的效率標準請各位自行查閱。

其它方面，比如防護型式，冷卻方式對效率影響，都不太大，這里不展開了。

GB18613是強制性的國家標準，規(guī)定了1000V以下工頻電源供電的封閉式異步電機的能效限定值。標準分3個能效等級，1級最高3級最低，國內(nèi)使用的電機最低要達到3級能效。

電機用于出口時，可參考IEC60034-30-1確定能效等級，國標GB32891.2是該標準的翻譯版。實際上，GB18613中三相異步電機的效率指標就是參考的IEC標準，GB18613中的1、2、3級能效分別對應IEC60034-30-1中的IE5、IE4和IE3。

其它如高壓電機、自起動永磁電機、變極電機、短時或周期工作制電機及其它特殊用途的電機均有相應的標準，可能不同應用行業(yè)也有各自的標準，這些大都是推薦性的，與用戶明確引用條款即可。

接下來討論變速的情況。這里的變速是指變頻調(diào)速，變極調(diào)速和轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速應用范圍受限，且有被變頻調(diào)速取代的趨勢。為簡單計，先討論額定轉(zhuǎn)速以下，恒轉(zhuǎn)矩時效率隨轉(zhuǎn)速的變化情況。

轉(zhuǎn)速下降時，轉(zhuǎn)矩不變，電流和磁密都不變，但鐵耗會隨頻率的1.3次方降低；定子銅耗是否改變?nèi)Q于定子的溫度情況（當然頻率對交流電阻也有一點影響），若冷卻方式與轉(zhuǎn)速無關，那么定子銅耗幾乎不變；異步電機的轉(zhuǎn)差率變化不大所以轉(zhuǎn)子銅耗隨輸出功率成比例變?。伙L摩耗的變化與冷卻方式密切相關，如果電機沒有自冷風扇，風摩耗很小，可以忽略：綜合評價為效率是緩慢下降的。

額定轉(zhuǎn)速以上一段范圍內(nèi)，電機可以恒功率運行。異步電機的電流變化不大，永磁電機的定子銅耗會大一些，因為需要增加直軸電流以平衡反電勢；磁場變?nèi)蹀D(zhuǎn)差率加大所以異步電機的轉(zhuǎn)子銅耗會增加；受磁密降低但是頻率增加的影響，鐵耗會稍小一點；風摩耗的占比較?。壕C合來看轉(zhuǎn)速增加的相當范圍內(nèi)電機是可以處于高效區(qū)的。

前已討論轉(zhuǎn)速不變負載減小時效率的變化規(guī)律，這樣如果以橫軸表示轉(zhuǎn)速縱軸轉(zhuǎn)矩，恒轉(zhuǎn)矩-恒功率曲線以下的效率變化情況就可以大概明確了。電動汽車主驅(qū)電機通常還要既在恒功率點的左側(cè)超速降功率運行，又要在恒轉(zhuǎn)矩-恒功率曲線以上做短時運行，上限直至每個轉(zhuǎn)速時的峰值轉(zhuǎn)矩。把整個運行區(qū)域內(nèi)效率相同的點連起來，形成若干條像海拔等高線一樣的地形圖，這就是電機的效率MAP圖。

顯然，額定點附近的效率應該是比較高的，越靠近坐標軸或峰值轉(zhuǎn)矩線，效率越低。內(nèi)業(yè)有個“雙85”的普遍要求，即工作區(qū)域內(nèi)，效率85%以上的區(qū)域要上到總區(qū)域面積的85%以上。這種電機的定制化程度較高，我還沒見過有具體要求的標準。

總之，效率曲線的只有負載轉(zhuǎn)矩一個自變量，它是一維曲線；效率MAP圖有轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速兩個自變量，它是二維平面。

以上，尚未考慮變頻器供電的影響。眾所周知，變頻器的供電電壓是高脈沖的矩形波，并不是理想的正弦波。所以與工頻電源供電相比，電機的損耗會增加，增加的損耗稱為附加諧波損耗。附加諧波損耗的大小與變頻器的設置有關。根據(jù)IEC60034-30-2(對應國標GB32891.2)的建議，若電機額定頻率為50Hz或60Hz，變頻器為兩電平，附加諧波損耗為基本損耗的15%（開關頻率4K）或25%（開關頻率2K）。具體計算方法可參考之前寫過的《變頻器載波頻率對電機效率的影響》。

實際上附加諧波損耗的成分非常復雜，對電機的影響是多方面的，具體計算已超出本文的范圍，可以發(fā)好幾篇論文了。簡而言之變頻器的載頻比越高，電壓波形越接近正弦波，附加諧波損耗越小。如果轉(zhuǎn)速增加而載頻不變，那么高頻區(qū)的附加諧波損耗要大一些。也可以從電機設計的角度減小該損耗，這正是現(xiàn)在研究的熱門題目。

變速電機的能效標準就是剛才提到的IEC60034-30-2，對應國標GB32891.2。需要指出的是，IEC60034-30系列標準覆蓋范圍更廣，它既包括異步電機，也包括永磁電機和磁阻電機，概括起來就是交流電動機；而且不論電機類型，功率和轉(zhuǎn)速一定后就對應相應等級的效率指標。而GB18613主要覆蓋的是異步電動機及特定使用場合的無刷直流電動機，且電機類型不同，對應的能效指標也不同。其它具體內(nèi)容就不一一介紹了。

最后引用IEC標準中的一句話作為本文的結(jié)束語。僅僅有高效率的電機不一定會組成高效率的電力傳動系統(tǒng)，用戶應根據(jù)實際的負載運行點和工作時間來選擇合適的效率等級的電機。