日本YASKAWA安川电机以世界最高水平的超高效率、薄型设计电机为实现脱碳社会做贡献- 开发永磁同步电机生态PM电机平型

 

发展背景及历史

 

近年来，随着实现无碳化社会以实现SDGs成为全球共同目标，对环境的考量成为企业的重要课题。为响应各国政府的环保法规，企业尤其是制造业对节能和碳中和的需求越来越大。尤其重要的是提高占世界总耗电量 40% 至 50% 的电机*1的效率。在此背景下，我们将在 2022 年 3 月推出一种新的节能产品，即 Eco PM Motor Flat Type（系列 42 种型号*2），它利用了我们在 100 多家公司培育的电机技术和电力转换技术。自我们成立以来的几年。本产品彻底追求高效化和小型化，大幅提高客户机械设备的生产效率和节能效果，为减少世界CO 2排放做出贡献。

 

 

开发模型的特点

以下是 Eco PM 电机扁平型的四个特点。

 

1. 全球最高IE5级别高效

各国都出台了电机效率法规，日本也从2015年4月开始实施领跑者计划，要求IEC标准效率等级*3为IE3以上。

eco PM电机扁平型作为我们的PM电机（右图）首次达到了世界最高效率等级IE5或更高。

 

永磁电机转子内装有永磁体，以同步速度运转，因此无二次铜损，效率高于感应电机。・采用高级铁芯材料，

优化铁芯形状和叠层厚度，降低铁损・

采用集中绕组和高密度绕组，降低铜损电压）波形等措施，实现了远超效率值该系列所有型号的能效等级为 IE5。

 

此外，我们的小型高性能变频器（GA500）配备了先进的PM电机矢量控制，可以在检测PM电机磁极位置的同时驱动，因此可以最大限度地减少功耗。结合类型，整体在从低负载到高负载的整个范围内提高了效率。 

 

2. 扁平型

通过上述各种措施，我们实现了 IE5 或更高的高效率，并且通过使电机形状扁平化，我们能够显着缩短电机主体的全长。此外，我们通过使用优化冷却结构以实现高效散热的最新热设计*4和实现世界最高水平IE5效率的电机设计，减少了冷却风扇的数量。通过这些设计技术，与领跑者电机相比，我们的电机总长度最多减少了 70%，电机体积减少了 50% 至 75%。

（图4）

 

此外，与其他公司的IE5电机（SynRM）和PM电机相比，电机的整体长度大大减少。右图显示了 5.5kW 模型的比较。

通过采用Eco PM电机扁平型，可以减少客户机器和设备的面积和体积，这有助于显着提高设计自由度和机器和设备的小型化。

 

3. 低噪声

该系列所有机型均采用无风扇设计，通过取消引起噪音的风扇，消除了风噪，实现了低噪音。特别是，与传统型号相比，高速型号的噪音水平降低了 3 至 5 dB。Eco PM电机扁平型（3.7kW，3600min -1）实现了约60dB的噪音水平。

 

4. 低维护

无风扇结构无需更换风扇和清洁风扇罩（防止堵塞）等维护工作。

结果，可以减少用于维护的空间（用于更换风扇的服务空间）和用于冷却空气的空间。

 

*3 什么是IEC标准效率等级?

单台电机的效率等级依次为IE5(Ultra Premium Efficiency)、IE4(Super Premium Efficiency)、IE3(Premium Efficiency)、IE2(High Efficiency)、IE1 efficiency.（标准效率），在国际电工委员会（IEC）的IEC60034-30中规定。

 

*4 最新的热设计意味着

通过分析温度和气流分布，可以在电机设计阶段预测温度特性，因此可以在不制作原型的情况下优化冷却结构。

 

替换开发模型的效果

介绍用扁平型 eco PM 电机替换标准感应电机（效率等级 IE3）时的节能、脱碳和经济效果。

 

1. 节能效果或脱碳效果-减少电力消耗和CO 2

电机容量为1.5～15kW的7种机种的耗电量削减量和CO 2削减量*5是假设在以下条件下使用1年、3年、5年时计算的，如下所示：如下图所示。使用 15kW Eco PM 电机扁平型五年将减少约 15,000kWh 的电力消耗和约 8700kg 的 CO 2。

 

状况：电动机单独（转速1800min -1型）在额定输出下运行5000h/年时*5 CO2减少量按每 1kWh 减少 0.571kg 计算。

 

2. 经济效应

电费削减效果

我们在以下条件下计算了电费减少量。通过更换为 Eco PM 电机扁平型，每年可减少约 380 万日元的电费。

 

状况：假设办公楼空调安装300台3.7kW机型（转速1500min -1），每年运行6000小时，负荷率为50%。

 

*6 单个电机的功耗比较（不包括逆变器）

*7 以19日元/kWh的功耗率计算

 

空间缩减效果

在写字楼空调中，减少单位空间可增加有效建筑面积。假定在以下条件下每层 40 层安装 7 台空调机组，则更换为 Eco PM 电机扁平型时每层将减少4.2 m 2的空间。可以实现效益和经济效益（通过减少单位面积增加有效占地面积的效益）。

 

状况：机组长度尺寸缩短0.3m/台，机组安装空间宽度2.0m/台

效果计算公式：每层空间减少面积=0.3m×2.0m=0.6m 2 /

单元每层安装7台=0.6m 2 ×7单元=4.2m 2 /层

 

作为参考，我们将节省的空间转换为货币金额（租金）。在以下条件下，如果将电机更换为 Eco PM 电机扁平型，则减少空间的租金约为每年 2500 万日元。

 

状况：每层节省4.2 平方米的空间

效果计算公式：4.2m 2 ÷ 3.3m 2 × 租金 40,000 日元/月/坪*8 × 40 层 = 2,040,000 日元/月（约 2,500 万日元/年）

*假设每8 坪 (= 3.3m 2 ) 的租金为 40,000 日元/月计算

 

荣获2022年（第71届）电气工业科技成果优秀奖

eco PM电机扁平型作为超高效薄型同步电机，为实现脱碳社会做出了卓越的技术成果，获得了电气工业技术成就奖*9优秀奖。

 

*9 电气工业技术成就奖由

日本电气工业协会（JEMA）颁发给

为电气工业的进步和发展做出贡献的个人，以激发人们的愿望，为行业的发展做出贡献改进技术和简化流程。这是对

 

前景

我们认为，实现脱碳社会需要提高电机的效率，电机占电力消耗的 40% 至 50%。作为第一步，我们将用于风扇和泵（降低扭矩）应用的 Eco PM 电机扁平型商业化。下一步，我们的目标是扩展到恒扭矩应用，如挤出机、起重机和压缩机，并为日本和海外客户实现碳中和的努力做出贡献。