在引進(jìn)能效等級這一概念后，歐盟規(guī)定需要降低泵驅(qū)動系統(tǒng)的能源消耗。高效的泵驅(qū)動電動機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間內(nèi)收回投資成本。
即便是還沒有與泵配套的泵驅(qū)動電動機也必須滿足當(dāng)前IEC標(biāo)準(zhǔn)的能效等級規(guī)定。歐盟委員會在2011年7月頒布的EG640/2009和EG4/2014標(biāo)準(zhǔn)都對電動機驅(qū)動系統(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的異步電動機都要達(dá)到IE3的節(jié)能水平；新上市的IE2電動機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)動各種泵的電動機必須滿足IE3能效等級的規(guī)定和要求；新上市的IE2電動機必須配用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的變頻器
部分負(fù)載時電動機的效率是決定性因素
決定降低電動機驅(qū)動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)動中。在節(jié)能泵驅(qū)動系統(tǒng)中的投資可以在很短的時間內(nèi)全部收回，這不僅是因為其能效等級，更重要的是泵的工作過程：泵驅(qū)動等級不是主要的能源消耗方面，而是把電能轉(zhuǎn)化為機械能的轉(zhuǎn)化器。
傳統(tǒng)電動機的一個基本缺陷就是它的最佳工作點區(qū)間和范圍很窄。一旦超出區(qū)域，傳統(tǒng)電動機的工作效率就會迅速下降（圖2）。
圖2 與異步電動機相比，同步電動機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)的異步電動機（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，這一缺點對電動機的耗電量有著極大的影響和作用，因為這些系統(tǒng)大部分的工作時間都不是滿負(fù)荷運行，它們所使用的泵和電動機很少在最佳工作點的區(qū)間里運行。大多數(shù)泵在約50%的工作時間內(nèi)都是在一定的負(fù)載范圍內(nèi)運行，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)載工況下運行。而驅(qū)動泵的異步電動機則常常是最佳工作區(qū)間外低效運行
電動機技術(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)。同步磁阻電動機這一名詞自出現(xiàn)以來的幾十年時間里，一直只出現(xiàn)在電動機專業(yè)技術(shù)文獻(xiàn)中，而這種原理的電動機始終沒有在實踐中得到應(yīng)用。幾十年來因為缺少合適的控制元器件一直使它無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機的研究。在他的試驗研究中對合適的變頻器進(jìn)行了試驗，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年特種電動機生產(chǎn)經(jīng)驗，負(fù)責(zé)驅(qū)動技術(shù)研發(fā)的工作人員意識到了同步磁阻電動機研發(fā)的意義和巨大的市場潛力。為了設(shè)計出高度現(xiàn)代化且高效節(jié)能的驅(qū)動系統(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，并將同步磁阻電動機送到了車間里進(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電動機，且沒有因為使用了更高效的電動機而出現(xiàn)額外費用。因此，水泵用戶可從更短的投資回收期中獲益
同步磁阻電動機：沒有滑差
2009年，KSB公司在漢諾威展覽會上首次展示了同步磁阻電動機（圖4）。首先，其與傳統(tǒng)異步電動機的最大區(qū)別在于：電動機的轉(zhuǎn)子按照電網(wǎng)的磁場頻率同步旋轉(zhuǎn)。同步磁阻電動機中轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動，是通過天然磁場中鐵芯片所形成的磁路中的最低阻力來實現(xiàn)。根據(jù)負(fù)載的大小不同，鐵芯磁場與天然磁場之間有一定的極角。在這一極角作用下，轉(zhuǎn)子同步按照定子的繞旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動；因此，確定的轉(zhuǎn)子位置和變頻器的驅(qū)動工作就是同步磁阻電動機必不可少的驅(qū)動技術(shù)和先決條件。在KSB公司研發(fā)生產(chǎn)的泵驅(qū)動電動機中，轉(zhuǎn)子位置是由泵驅(qū)動變頻器三相繞組的電氣值間接控制的。由于轉(zhuǎn)子工作時無需短路繞組和勵磁繞組，因此幾乎沒有能源損耗。
同步磁阻電動機這一概念表示出電動機與電網(wǎng)頻率為同步旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電網(wǎng)頻率為50Hz時，四極電動機的轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/min。為了實現(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。多年來在泵驅(qū)動系統(tǒng)中使用的異步電動機有著與負(fù)載相關(guān)的轉(zhuǎn)速差（滑差）；因此額定轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/min的四極電動機在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)的同步磁阻電動機中，轉(zhuǎn)速與負(fù)載無關(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。
圖5 同步磁阻電動機的轉(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機轉(zhuǎn)子
同步磁阻電動機最明顯的特點就是沖壓鐵芯制成的轉(zhuǎn)子體。轉(zhuǎn)子體上有沖壓出來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)子在定子磁場中的優(yōu)選轉(zhuǎn)向和其旋轉(zhuǎn)運動。同步磁阻電動機這一設(shè)計申請了專利保護，這在原則上保證了較低的噪聲，減少了扭矩的波動，保證了整體的運行平穩(wěn)。
建筑技術(shù)和工業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域中對泵驅(qū)動電動機應(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，同步磁阻電動機才有可能實現(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)動三相電機時，可以從零開始無級地把電動機轉(zhuǎn)速提高到其額定轉(zhuǎn)速。這也突出了同步磁阻電動機的一個最重要優(yōu)點：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：同步磁阻電動機在25%的額定轉(zhuǎn)速和二次方負(fù)載（轉(zhuǎn)速可調(diào)的電動機和特性曲線固定不變的電動機在工作時所需的驅(qū)動扭矩是轉(zhuǎn)速的二次方）時的工作效率仍然在額定效率的95%以上（圖6）。實踐經(jīng)驗也告訴大家：用同步磁阻電動機取代傳統(tǒng)的泵驅(qū)動電動機后可以節(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機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的電動機的效率曲線
同步磁阻電動機的機械復(fù)雜程度也比異步電動機低。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點和作用原理，機械部件也有著更長的使用壽命。因為它減少了功率損耗，因此其發(fā)熱也更少；這也是其使用壽命更長的原因之一。如同步電動機的軸承使用壽命在20000～30000h。在大功率的水泵中，這就大大的降低了水泵的維護保養(yǎng)成本，減少了軸承失效帶來的停機風(fēng)險。
圖7 漢堡Gruner+Jahr出版社在建筑物采暖中，用配用了電動機的Etanorm泵取代了原來使用的泵，作為主循環(huán)泵使用后把泵的電力消耗減少了28%
同步磁阻電動機較輕的重量也能節(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輸和安裝時的重量問題。如一臺75kW功率的同步電動機的重量為411kg，而相同功率的IE4異步電動機則重745kg。在生產(chǎn)同步電動機時，既不需要使用勵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)動電動機都要是能效等級為IE3級的電動機，或是配備了調(diào)速變頻器的IE2電動機。從2017年起，這一嚴(yán)格的規(guī)定也將擴展到0.75～5.5kW的電動機應(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)速泵和高效電動機的應(yīng)用領(lǐng)域。在這一領(lǐng)域中，由于負(fù)載變化的原因，電動機常常在部分負(fù)載工況下運行。在建筑物采暖中，電動機一年中的大部分時間僅需在10%～20%的負(fù)載狀況下運行。因此，可以說使用傳統(tǒng)異步電動機的采暖泵是在非常不經(jīng)濟的效率范圍內(nèi)工作。用同步磁阻電動機取代IE2等級的異步電動機可以節(jié)約采暖和空調(diào)系統(tǒng)泵驅(qū)動電機的能源消耗；根據(jù)建筑物的規(guī)模大小和負(fù)荷情況可以實現(xiàn)節(jié)約25%的電力能源。除此之外，利用同步磁阻電動機技術(shù)還可以完全省略使用勵磁材料和省略與此有關(guān)的稀土材料，從而也實現(xiàn)了最佳的資源利用。
