在引進(jìn)能效等級(jí)這一概念后，歐盟規(guī)定需要降低泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能源消耗。高效的泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不僅可以滿足歐盟的技術(shù)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，也降低了使用企業(yè)所需耗費(fèi)的能源成本。當(dāng)前的最新研發(fā)進(jìn)展也使用戶能夠在最短的時(shí)間內(nèi)收回投資成本。
即便是還沒(méi)有與泵配套的泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)也必須滿足當(dāng)前IEC標(biāo)準(zhǔn)的能效等級(jí)規(guī)定。歐盟委員會(huì)在2011年7月頒布的EG640/2009和EG4/2014標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電力消耗量做出了規(guī)定。從2015年1月起，功率在7.5～375kw的異步電動(dòng)機(jī)都要達(dá)到IE3的節(jié)能水平；新上市的IE2電動(dòng)機(jī)也必須從這一刻起使用變頻器進(jìn)行調(diào)試(圖1)。
圖1 從2015年1月起，驅(qū)動(dòng)各種泵的電動(dòng)機(jī)必須滿足IE3能效等級(jí)的規(guī)定和要求；新上市的IE2電動(dòng)機(jī)必須配用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的變頻器
部分負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的效率是決定性因素
決定降低電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置能源消耗的原因有很多：工業(yè)領(lǐng)域中幾乎1/3的電力能源都用在泵的工作、驅(qū)動(dòng)中。在節(jié)能泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的投資可以在很短的時(shí)間內(nèi)全部收回，這不僅是因?yàn)槠淠苄У燃?jí)，更重要的是泵的工作過(guò)程：泵驅(qū)動(dòng)等級(jí)不是主要的能源消耗方面，而是把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的轉(zhuǎn)化器。
傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)基本缺陷就是它的最佳工作點(diǎn)區(qū)間和范圍很窄。一旦超出區(qū)域，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的工作效率就會(huì)迅速下降（圖2）。
圖2 與異步電動(dòng)機(jī)相比，同步電動(dòng)機(jī)在部分載荷工況下的標(biāo)準(zhǔn)效率仍高達(dá)95%。如圖所示，傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)（ASM）在相同負(fù)載條件下的額定效率已經(jīng)降低到了20%～30%
在液體循環(huán)系統(tǒng)中，如采暖系統(tǒng)和冷卻降溫系統(tǒng)，或是流程工藝設(shè)備，這一缺點(diǎn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的耗電量有著極大的影響和作用，因?yàn)檫@些系統(tǒng)大部分的工作時(shí)間都不是滿負(fù)荷運(yùn)行，它們所使用的泵和電動(dòng)機(jī)很少在最佳工作點(diǎn)的區(qū)間里運(yùn)行。大多數(shù)泵在約50%的工作時(shí)間內(nèi)都是在一定的負(fù)載范圍內(nèi)運(yùn)行，其中有25%低于額定負(fù)載（圖3）。
圖3 在許多液體循環(huán)系統(tǒng)中，泵主要是在部分負(fù)載工況下運(yùn)行。而驅(qū)動(dòng)泵的異步電動(dòng)機(jī)則常常是最佳工作區(qū)間外低效運(yùn)行
電動(dòng)機(jī)技術(shù)的新突破
歐盟當(dāng)前規(guī)定中的一部分旨在幫助幾乎有著百年歷史的傳統(tǒng)技術(shù)。同步磁阻電動(dòng)機(jī)這一名詞自出現(xiàn)以來(lái)的幾十年時(shí)間里，一直只出現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)專業(yè)技術(shù)文獻(xiàn)中，而這種原理的電動(dòng)機(jī)始終沒(méi)有在實(shí)踐中得到應(yīng)用。幾十年來(lái)因?yàn)槿鄙俸线m的控制元器件一直使它無(wú)法可靠的保證正常功能，而幾十年后的今天這一切將不再是問(wèn)題。自20世紀(jì)90年代起，Turin大學(xué)的一位教授Alfredo Vagati就開始了同步磁阻電動(dòng)機(jī)的研究。在他的試驗(yàn)研究中對(duì)合適的變頻器進(jìn)行了試驗(yàn)，使用了意大利公司Itaco/Reel公司的產(chǎn)品，并于2010年由Frankenthaler市的KSB公司接收。
由于KSB公司有著約80年特種電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研發(fā)的工作人員意識(shí)到了同步磁阻電動(dòng)機(jī)研發(fā)的意義和巨大的市場(chǎng)潛力。為了設(shè)計(jì)出高度現(xiàn)代化且高效節(jié)能的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，還需要開展一些新的研發(fā)內(nèi)容。KSB公司的工程師們最終完成了所有的研發(fā)設(shè)計(jì)，并將同步磁阻電動(dòng)機(jī)送到了車間里進(jìn)行大批量生產(chǎn)。
圖4 在KSB公司研發(fā)生產(chǎn)泵產(chǎn)品中，Etaline系列配備的是18.5kW的IE4電動(dòng)機(jī)，且沒(méi)有因?yàn)槭褂昧烁咝У碾妱?dòng)機(jī)而出現(xiàn)額外費(fèi)用。因此，水泵用戶可從更短的投資回收期中獲益
同步磁阻電動(dòng)機(jī)：沒(méi)有滑差
2009年，KSB公司在漢諾威展覽會(huì)上首次展示了同步磁阻電動(dòng)機(jī)（圖4）。首先，其與傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)的最大區(qū)別在于：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子按照電網(wǎng)的磁場(chǎng)頻率同步旋轉(zhuǎn)。同步磁阻電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是通過(guò)天然磁場(chǎng)中鐵芯片所形成的磁路中的最低阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)負(fù)載的大小不同，鐵芯磁場(chǎng)與天然磁場(chǎng)之間有一定的極角。在這一極角作用下，轉(zhuǎn)子同步按照定子的繞旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)；因此，確定的轉(zhuǎn)子位置和變頻器的驅(qū)動(dòng)工作就是同步磁阻電動(dòng)機(jī)必不可少的驅(qū)動(dòng)技術(shù)和先決條件。在KSB公司研發(fā)生產(chǎn)的泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子位置是由泵驅(qū)動(dòng)變頻器三相繞組的電氣值間接控制的。由于轉(zhuǎn)子工作時(shí)無(wú)需短路繞組和勵(lì)磁繞組，因此幾乎沒(méi)有能源損耗。
同步磁阻電動(dòng)機(jī)這一概念表示出電動(dòng)機(jī)與電網(wǎng)頻率為同步旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電網(wǎng)頻率為50Hz時(shí)，四極電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/min。為了實(shí)現(xiàn)3000轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速，KSB研發(fā)的變頻器將頻率提高了一倍。多年來(lái)在泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用的異步電動(dòng)機(jī)有著與負(fù)載相關(guān)的轉(zhuǎn)速差（滑差）；因此額定轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/min的四極電動(dòng)機(jī)在50Hz電網(wǎng)中的轉(zhuǎn)速不是準(zhǔn)確的1500轉(zhuǎn)/min，而是1450轉(zhuǎn)/min左右。在KSB公司研發(fā)生產(chǎn)的同步磁阻電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)速與負(fù)載無(wú)關(guān)，可在4200轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速內(nèi)調(diào)節(jié)及變化。因此它提供了只需根據(jù)轉(zhuǎn)速和功率就能夠準(zhǔn)確調(diào)節(jié)水泵輸送流量的優(yōu)勢(shì)。
圖5 同步磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由有著許多氣隙槽的鐵芯組成
由鐵芯和氣隙組成的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子
同步磁阻電動(dòng)機(jī)最明顯的特點(diǎn)就是沖壓鐵芯制成的轉(zhuǎn)子體。轉(zhuǎn)子體上有沖壓出來(lái)并明顯減少磁阻的氣隙槽（圖5）。氣隙槽的方向和位置決定了轉(zhuǎn)子在定子磁場(chǎng)中的優(yōu)選轉(zhuǎn)向和其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同步磁阻電動(dòng)機(jī)這一設(shè)計(jì)申請(qǐng)了專利保護(hù)，這在原則上保證了較低的噪聲，減少了扭矩的波動(dòng)，保證了整體的運(yùn)行平穩(wěn)。
建筑技術(shù)和工業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域中對(duì)泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用提出的決定性要求是可調(diào)節(jié)性能。只有當(dāng)繞組中的電網(wǎng)頻率可以改變時(shí)，同步磁阻電動(dòng)機(jī)才有可能實(shí)現(xiàn)功率匹配。而在功率匹配方面，當(dāng)代的技術(shù)水平是變頻器技術(shù)。在利用變頻器驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)時(shí)，可以從零開始無(wú)級(jí)地把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高到其額定轉(zhuǎn)速。這也突出了同步磁阻電動(dòng)機(jī)的一個(gè)最重要優(yōu)點(diǎn)：在部分負(fù)載的工況下仍然有著很高的工作效率。正如KSB公司所介紹的那樣：同步磁阻電動(dòng)機(jī)在25%的額定轉(zhuǎn)速和二次方負(fù)載（轉(zhuǎn)速可調(diào)的電動(dòng)機(jī)和特性曲線固定不變的電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)扭矩是轉(zhuǎn)速的二次方）時(shí)的工作效率仍然在額定效率的95%以上（圖6）。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也告訴大家：用同步磁阻電動(dòng)機(jī)取代傳統(tǒng)的泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)后可以節(jié)約25%以上電力能源（圖7）。
圖6 在部分載荷的工況下同步磁阻電動(dòng)機(jī)仍然有著很高的工作效率。圖片中表示的是7.5kW功率和額定轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/min的電動(dòng)機(jī)的效率曲線
同步磁阻電動(dòng)機(jī)的機(jī)械復(fù)雜程度也比異步電動(dòng)機(jī)低。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作用原理，機(jī)械部件也有著更長(zhǎng)的使用壽命。因?yàn)樗鼫p少了功率損耗，因此其發(fā)熱也更少；這也是其使用壽命更長(zhǎng)的原因之一。如同步電動(dòng)機(jī)的軸承使用壽命在20000～30000h。在大功率的水泵中，這就大大的降低了水泵的維護(hù)保養(yǎng)成本，減少了軸承失效帶來(lái)的停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。
圖7 漢堡Gruner+Jahr出版社在建筑物采暖中，用配用了電動(dòng)機(jī)的Etanorm泵取代了原來(lái)使用的泵，作為主循環(huán)泵使用后把泵的電力消耗減少了28%
同步磁阻電動(dòng)機(jī)較輕的重量也能節(jié)約能源
在重量不同一詞的含義中也包含了大功率水泵運(yùn)輸和安裝時(shí)的重量問(wèn)題。如一臺(tái)75kW功率的同步電動(dòng)機(jī)的重量為411kg，而相同功率的IE4異步電動(dòng)機(jī)則重745kg。在生產(chǎn)同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，既不需要使用勵(lì)磁材料也不需要使用稀土材料。因此這一技術(shù)也擺脫大量消耗需要付出極大工作量，對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生不良影響才能獲得到原材料的方法。
法律法規(guī)規(guī)定從2015年1月開始所有的泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)都要是能效等級(jí)為IE3級(jí)的電動(dòng)機(jī)，或是配備了調(diào)速變頻器的IE2電動(dòng)機(jī)。從2017年起，這一嚴(yán)格的規(guī)定也將擴(kuò)展到0.75～5.5kW的電動(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中。
在樓宇技術(shù)領(lǐng)域中，建筑物的采暖和空調(diào)是最重要的調(diào)速泵和高效電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。在這一領(lǐng)域中，由于負(fù)載變化的原因，電動(dòng)機(jī)常常在部分負(fù)載工況下運(yùn)行。在建筑物采暖中，電動(dòng)機(jī)一年中的大部分時(shí)間僅需在10%～20%的負(fù)載狀況下運(yùn)行。因此，可以說(shuō)使用傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)的采暖泵是在非常不經(jīng)濟(jì)的效率范圍內(nèi)工作。用同步磁阻電動(dòng)機(jī)取代IE2等級(jí)的異步電動(dòng)機(jī)可以節(jié)約采暖和空調(diào)系統(tǒng)泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能源消耗；根據(jù)建筑物的規(guī)模大小和負(fù)荷情況可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約25%的電力能源。除此之外，利用同步磁阻電動(dòng)機(jī)技術(shù)還可以完全省略使用勵(lì)磁材料和省略與此有關(guān)的稀土材料，從而也實(shí)現(xiàn)了最佳的資源利用。
