吴宣东:高端电机制造业聚焦小型化、轻量化

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楼主 2021-04-04 07:27:10
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“铸铜转子电机和铸铝转子电机相比整整减低了33公斤(铸铜转子电机型号YBX3-112M-4 7.5kW 和铸铝转子电机型号YBX3-132M-4 7.5kW)。如果是放在汽车上在每年将会节省多少汽油?如果用在航空器上减低几两或者几克都会带来巨大技术飞跃,其意义已经不仅仅是节能了;在飞机上也是如此。而在轮船上,虽然33公斤不算很重,但是一个万吨轮船上可能有上千台电机,其节省的重量和燃料可想而知。因此,电机小型化和轻量化是电机制造业今后的发展方向。同时,也必然是中国工业的发展方向,它与智能化具有同等的意义。”近日,高效电机领跑者编辑专访了卧龙电气南阳防爆集团股份有限公司(简称,南阳防爆)总工程师吴宣东,吴总对行业内广受关注的高效电机小型化、轻量化技术路径给予了详细深入的解答。

问:请谈谈电机小型、轻量化的趋势是什么?

答:电机的小型化、轻量化已经成为国际大牌电机企业的技术发展方向。举个例子,我们国产的高压电机,其中心高相对国际水平要高一到两个档。高压电机的结构比较复杂,大型电机小型化的手段比较多,可以通过改变绝缘的厚度,或通风的结构等来实现。这两年技术发展方向是绝缘材料的减薄,虽然国内领先电机厂一直在研究降中心高和小型化,但和国际先进水平还有一定差距。
 
对小型电机来说,做到小型化,以往来说是不太容易的。相对大型电机,低压电机本身的功率都不大,通风的冷却方式和绝缘方式是固定的,可以调整的方式有限。另外从材料上分析,高效电工钢片的出现,对提高能效水平是一个促进。铜和铝材的发展,特别是台湾在研究高导率的铜,电阻率比现在的铜还要降低一半,对低压电机会是更大的飞跃,但现在还没有实现。所以目前要达到高效低压电机的小型化和轻量化,比较可行的技术路径就是采用铜转子技术。

问:请谈谈电机小型化、轻量化对工业制造和社会的意义?

答:中国工业2025和德国工业4.0核心是工业的智能化,但智能化的一个前提条件就是各种工业设备的小型化、轻量化。这对于减低成本、节省设备空间、节能降耗及智能化都有密切的联系。举个例子,我国汽车制造平均油耗2011年百公里为7.5升,到2015年降到6.9升,但是要达到国家提出的2020年百公里5升的目标还有距离。要达到这样严格的目标,除了大幅提升汽车技术水平以外,车辆小型化、轻量化及小排量化也是不可避免的,其中汽车电机的小型化、轻量化是非常重要的一环。从这个例子可以看出电机小型化、轻量化与节能降耗相关,与制造业的未来发展方向相关,与中国工业的制造工艺水平相关,意义重大。

问:能否具体谈一下,缩小一个座机号是如何实现轻量化的?

答:举例来说,我们选择的电机型号是:
铸铜转子 YBX3-112M-4 7.5kW
铸铝转子 YBX3-132M-4 7.5kW
铸铜转子电机比铸铝转子电机低一个机座号。也就是减小了电机的尺寸。在此情况下,我们看一下它们的比较数据:

表1:铸铝、铸铜电机性能、外形尺寸、重量对比

从上表可以看出,结构上铸铜转子电机比铸铝转子电机降了一个机座号,重量轻了33公斤,长、宽、高都有所减少,同时电气性能指标,如效率、启动性能均符合国家及行业标准。


问:您刚才提到也降低了成本,请进一步解释一下。

答:请看下表成本对比。


结论:

相同功率下,铸铝转子电机与小型座号铸铜电机相比,电机设计成本贵118.01元。


注:该对比分析是按现行价核算,不含新开模具费用、制造工时的差异。原材料单价见表2,接线盒不纳入成本对比。

表2 电磁原材料单价

可以看出,从理论分析,该规格电机由铸铝转子通过改为降机座号的铸铜转子电机,每台节省118元,1万台就是118万,10万台就是1千多万,是非常可观的。

问:您还提到电机小型化和轻量化后可以节能减排,请详细解释一下。

这样来比喻一下,上面的例子看到铸铜转子电机比铸铝转子电机整整降低了33公斤,如果是放在汽车上的电机,减少33公斤重量在15年期间将会节省多少汽油哪?这将是非常大的汽油节省量。同样道理,铜转子电机还可以用在飞机和航空器上,在航空器上,减低几两甚至几克都会带来巨大技术飞跃,其意义已经不仅是节能了;而在轮船上,虽然33公斤不算很重,但要知道一个万吨轮上可能有上千台电机,其节省的重量,就是一个的非常可观的量级了。

另外一个重要方面是用铜转子可以生产出超超高效电机,即IE4+电动机,这用铸铝转子是无法实现的。目前已经有南阳防爆、浙江金龙、万德、TECO、CG、HYOSUNG等企业研发了IE4(IE4+)超超高效率电动机。

1、南阳防爆在IE4超超高效电机在第三届SEAD全球超高效电机能效大赛上经过全球30多家电机制造企业的激烈竞争和严苛评审斩获国际大奖,获得全球“SEAD国际效率奖章”。电机实测效率已达到IE5。



2、南阳防爆开发的YZTE4产品用于:
胜利油田30kW-6极采油机;
澳大利亚Rio和Xstrata铜矿   30KW-2,22KW-4,45KW-2
美国能源部(DoE)NSPE产品:  30HP-2和5HP-2

3、哈电佳木斯电机生产出3个规格IE4电机

4、浙江特种电机生产出2个规格IE4电机

超超高效电机对于节能减排意义十分重大,它也极大地提升了中国电机能效水平和制造能力,采用铸铜转子,可使电动机能耗在原有基础上降低15%~25%,电机效率可以提高2%~5%。如果我国现有中小型电动机的效率提高2%,每年就可节省电能消耗高达200亿千瓦时,节电效果相当于3个100万KW火电站的发电量。

另外,在电机效率方面,铜转子电机可以提供更多的选择,从而提供电机效率。



从上表可以看出,如果铸铝转子电机达到能效IE2,用铸铜转子电机可以达到IE3,而如果铸铝转子电机达到能效IE3,用铸铜转子电机可以达到IE4.这也就是说,用铸铜转子电机替换铸铝转子电机可以将电机能效提高了一个等级,其节能减排潜力巨大。

问:能否展望一下未来铜转子电机的前景?

铜转子电机在电动汽车领域具有广阔的市场前景。这个市场在国内已经启动。而在国际上高效和超高效电机将非常具有市场前景,例如在欧洲,在美洲,我们非常看好这一市场。

与铝转子相比,铜转子所具有的优良的机械强度、较高的耐热指数,耐腐蚀性好,在军工市场、核电市场、船舶市场、航天市场、电气领域,还有电机再制造等领域,都有广阔的市场空间,但这些市场还需要进一步的开发和拓展。任何市场的开拓与成长都一个过程,不会一跃而蹴。



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