IE5能效等级三相异步电动机的研制
IE5为国际电工委员会（IEC）于2016年发布的目前全球最高的电动机能效等级。针对IE5能效等级目标开展了三相异步电动机研制。在设计方面，主要考虑采用优质的冷轧硅钢片，尝试不同风扇结构型式和不等匝绕组型式，并针对小功率电机考虑采用铸铜转子工艺方案，降低了电机损耗。在工艺方面，主要考虑提高加工精度，减小定、转子冲片毛刺等，进一步降低电机的空载损耗。样机测试结果表明，效率、功率因数、起动电流、起动转矩、最大转矩、温升等指标均达到设计要求，实现了IE5能效等级三相异步电动机研制目标。
国际电工委员会（IEC）于2008年10月发布了IEC 60034-30“单速、三相笼型感应电动机的能效分级”标准，统一了全球的电机效率标准。根据各国不同的情况，IEC 60034-30统一将电动机能效标准分为IE1、IE2、IE3、IE4等4个等级，其中IE1为最低效率、IE4为当时的最高效率等级。IEC制订了50 Hz和60 Hz 2套标准体系，分别适用于电源频率50 Hz和60 Hz的国家和地区；同时统一了效率的测试方法。该标准适用范围为：额定电压1 000 V及以下，输出功率0.75～375 kW，极数为2、4、6极，S1连续工作制或S3断续工作制（负载持续率为80%及以上）。
2014年，IEC发布了IEC 60034-30-1:2014标准[1]，将效率分为IE1、IE2、IE3、IE4、IE5 5个等级，其中IE5作为最高的效率等级，为第一次提出的概念，并未给出具体数值。该标准规定适用范围为：额定电压1 000 V及以下，输出功率为0.12～1 000 kW，极数为2、4、6、8极，适用于所有在线运行的交流电动机。该标准已等同转化为国标GB/T 32891.1—2016《旋转电机 效率分级（IE代码） 第1部分：电网供电的交流电动机》[2]。
2016年，IEC发布了IEC 60034-30-2:2016标准[3]，规定了变频器供电的各种变频调速电机相应的效率等级，同时还第一次正式发布了IE5效率标准数值。该标准规定的适用范围与IEC 60034-30-1相同，也已等同转换为国标GB/T 32891.2—2019[4]。
中国的最新版强制性国家标准GB 18613—2020《电动机能效限定值及能效等级》[5]于2020年5月发布，并将于2021年6月1日起正式实施。GB 18613—2020已将IE5效率列为中国三相异步电动机最高的一级能效等级指标。新国标还规定，自标准实施之日起，IE3效率将成为中国最低的三相异步电动机能效限定值（三级能效），低于IE3能效限定值的三相异步电动机(如YE2系列电机等)不允许再生产销售，表明中国中小型三相异步电动机效率水平再次提升了一个等级。新国标同时还将IE4效率列为二级节能评价值指标。
IEC 60034-30系列文件作为全球统一的电动机能效标准，已被世界上各个国家及相关的国际组织认可及采用。尽管IEC认为三相交流电动机达到IE4及以上效率是目前国际范围的难题，但根据IEC电动机能效标准的最新变化，世界各国的行业同仁仍在积极努力开展符合IE4、IE5效率等级电动机的研究，例如：德国西门子等公司2016年样本中推出了符合IE4效率等级的三相异步电动机产品[6]；上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司与国内中小型电机行业多家企业共同开展了IE4能效等级的超超高效率电动机系列产品的开发[7]；格力电器珠海凯邦电机制造有限公司等开发了达到IE4、IE5能效等级的永磁辅助同步磁阻电机等[8]。
根据国际电机效率最新的发展情况，立项开展了IE5效率等级三相异步电动机样机的研制工作。本文介绍了样机研制情况和测试结果。样机测试结果表明，效率等主要指标均达到设计要求，实现了IE5能效等级三相异步电动机研制目标。
1.1 样机设计考虑
IEC 60034-30-1:2014标准[1]给出了各种类型的电动机达到各级效率等级的难易程度，如表1所示。
IEC 60034-30-2:2016标准[3]给出的IE5效率等级标准值如表2所示。
表2 IE5效率等级标准值[3]
表1中，IEC 60034-30-1:2014标准给出了三相交流电动机达到IE5效率的可能性为“否”的结论。这一评价主要基于以下两点：(1)目前全球范围内实际的设计及制造水平限制;(2)国际上通行的IM安装方式及相关外形尺寸的约束。但GB 18613—2020的发布与实施，已将IE5效率作为中国三相异步电动机的一级能效指标，这是未来几年业界需努力探求及实现的目标。为此，结合IE5效率等级标准值，开展IE5效率等级三相异步电动机样机的研制。
针对达到IE5效率的方法，主要从设计与工艺2个方面考虑，并选择5个典型规格(不同功率、不同极数)开展样机试验验证。
在设计方面,主要考虑采用优质的冷轧硅钢片，针对小功率电机考虑采用铸铜转子工艺方案，同时开展不等匝绕组和风扇的对比试验验证，进一步降低电机损耗。在工艺方面，参考YE4和YZTE4等2个系列超超高效率三相异步电动机研制成功的经验，主要考虑提高加工精度，减小定、转子冲片毛刺等，进一步降低电机的空载损耗[7]。
本次IE5效率等级样机安排了H80M1-2-0.75 kW、H100L1-4-2.2 kW、H112-4-4 kW、H160M-6-7.5 kW和H280S-8-37 kW等不同机座号、不同功率和不同极数的5个典型规格样机的试验验证，其中H80M1-2-0.75 kW、H100L1-4-2.2 kW和H112-4-4 kW等3个规格样机采用铸铜转子结构，H160M-6-7.5 kW和H280S-8-37 kW等2个规格样机采用铸铝转子结构。
样机的主要性能指标包括效率、功率因数、温升、起动转矩、起动电流等，其中效率是样机最重要的考核指标。IE5样机主要技术性能指标，包括样机的效率、功率因数和起动性能等，如表3所示。表3中“本项目”指标为立项任务书早期提出的指标，IE5指标为IEC 60034-30-2:2016中的电动机能效值。样机的功率因数、温升和起动转矩、起动电流等性能指标的确定主要参考了《YE4系列（IP55）三相异步电动机技术条件（机座号80～450）》（JB/T 13299—2017）[9]，并编制了相应的试制用《IE5系列（IP55）三相交流电动机技术条件（机座号80～355）》文件。
参与IE5样机研制的单位有上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司、安徽皖南电机股份有限公司（简称皖南电机）、佳木斯电机股份有限公司（简称佳木斯电机）、江苏大中电机股份有限公司（简称大中电机）、浙江江潮电机实业有限公司（简称江潮电机）、山西电机制造有限公司（简称山西电机）、湖北宝达机电有限公司、江苏通达动力科技股份有限公司、云南铜业压铸科技有限公司和北京首钢股份有限公司等，其中湖北宝达机电有限公司和江苏通达动力科技股份有限公司配合提供部分样机冲片铁心的加工，云南铜业压铸科技有限公司协助完成铸铜转子压铸，北京首钢股份有限公司为样机提供优质的冷轧硅钢片，皖南电机、佳木斯电机、大中电机、江潮电机和山西电机等5家电机制造企业开展样机试制。所安排的5个规格19台样机的试制分工情况如表4所示。
在样机试制单位的共同努力下，5个规格19台样机全部试制完成并完成了性能测试。从性能测试数据看，所试制完成的19台样机基本达到了设计及标准要求。下面就已完成的5个规格19台样机的主要性能指标试制情况进行分析。
1.3.1 样机主要性能指标达标情况
将所试制的5个规格19台样机的效率、功率因数和起动性能等主要技术性能指标实测值与立项技术任务书的要求进行对比，除H100L1-4-2.2 kW规格有1台样机的效率指标不合格外，其他18台样机的性能实际测试数据全部达到技术任务书及试制用技术条件的标准要求。效率指标不合格的1台样机，其效率虽未达到技术任务书要求，但仍达到IE5效率等级指标的标准要求。
样机主要性能指标具体情况分析如下。
(1) 效率指标。
已完成的5个规格19台样机的效率实测值均达到IE5效率等级指标的标准要求，有18台样机的效率实测值达到本项目的标准要求，其中效率高于等于本项目标准值的样机12台，吃容差小于50%的5台，吃容差大于50%的1台，效率不合格的1台。效率指标合格率为94.74%。效率指标达标情况如表5所示。
表5 IE5样机效率指标达标情况
效率不合格的1台样机为H100L1-4-2.2 kW样机。该规格样机由2家企业共试制了5台样机，试验数据如表6所示。该规格样机的效率，本项目目标为91.49%，最小值90.21%，IE5指标为91.4%，最小值90.11%。其中2号样机的铁耗测试值略偏大，造成效率不合格，但该样机的效率仍达到了IE5效率标准要求（考虑容差后的最小值为90.11%）。
表6 H100L1-4-2.2 kW样机效率实测值对比
由表6还可知，对于H100L1-4-2.2 kW规格，还有1台样机的效率吃容差大于50%、2台吃容差小于50%，表明该规格样机达到项目效率指标的难度较高。
(2) 其他指标。
5个规格19台样机的功率因数指标全部达到标准和设计要求，其中功率因数实测值高于等于标准值的17台，吃容差小于50%的2台。
5个规格19台样机起动电流实测值全部达到标准和设计要求，其中，吃容差小于50%的15台，吃容差大于50%的4台。
5个规格19台样机的起动转矩和最大转矩指标全部达到标准要求。
5个规格19台样机的温升全部合格。
1.3.2 样机材料用量对比
IE5效率样机的设计主要借鉴了YE4和YZTE4系列超超高效率三相异步电动机的三圆尺寸及部分槽型。5个规格IE5样机与YE3、YE4/YZTE4系列相应规格电动机的材料平均用量对比如表7所示。由表7可知，IE5样机的铁心材料平均用量比YE3系列电动机增加了22.78%，比YE4和YZTE4系列电动机增加了18.08%；定子用铜平均用量比系列YE3电动机增加了37.84%，比YE4和YZTE4系列电动机增加了9.71%；转子用铝或铜平均用量比YE3系列电动机增加了16.52%，比YE4和YZTE4系列电动机分别增加了4.34%和13.83%。
表7 IE5样机与YE3、YE4/YZTE4系列电动机材料平均用量对比 ( 单位：kg·kW-1)
为了达到IE5这一非常高的效率指标，样机设计时槽满率的取值相对偏高，给样机的试制带来了一定的困难。比如H80M1-2-0.75 kW和H100L1-4-2.2 kW等规格样机在试制过程中出现了下线困难等情况。通过交流与沟通，承担样机试制任务的企业克服了重重困难，圆满地完成了样机的试制。在样机试制过程中开展了不同风扇结构型式及不等匝绕组型式的对比试验验证，取得了预期效果，为下一阶段继续开展工作积累了一定的经验及数据，可供行业同仁参考及借鉴。
