一文彻底了解电机效率

工作中经常解释与效率有关的概念和规律，索性专门开一篇把从头到尾捋清它。面向的人群较广，公众号编辑公式也麻烦，所以本期就是文字加极少张图表了。

效率是电机输出的轴功率与输入的电功率之比，是评价电机的重要指标之一。在气候变化、双碳目标的大背景下，提升效率是电机行业永恒的追求。

电功率是有功功率，所以效率高就意味着节能。功率因数影响的是视在功率，与节能没有直接的关系。

输入功率与输出功率之差是损耗，损耗越小效率越高。

工频运行的三相异步电动机，损耗通常可分为五部分：定子铜耗、定子铁耗、转子铜(铝)耗、 风摩(机械)耗和杂散损耗。

定子铜耗与定子电阻、电流有关；定子铁耗通常包含空载杂散损耗，与硅钢片材质、叠压工艺、磁通密度和电源频率有关；转子铜耗与电机的输出功率和转差率成正比；风摩耗由轴承摩擦和旋转件的空气阻力产生，与电机转速有关；杂散损耗一般特指负载杂散损耗，与输出转矩成正比，也与电机的电磁设计、工艺方法和制造水平有关。总来的说，定子铜耗和铁耗是电机损耗的主要部分。

可以看出，电机做好后电压额定时，定子铁耗和风摩耗与负载大小(输出功率)几乎无关，两者之和称为恒定损耗；定子铜耗、转子铜耗和杂散损耗随负载变化而变化，是可变损耗。显然，负载越大可变损耗随之增加。好的设计，是电机在额定负载时恒定损耗约等于可变损耗，这时电机有较高的效率。

提高电机的效率，无非是从以上方面入手：加大体积，既可以增加电磁线截面积减小电阻，也可以增加铁心用量减小磁通密度，还可以降低电机温升选用小风扇以降低风摩耗；选用高牌号的硅钢片降低铁心单位重量的铁耗；选用铸铜或铜条转子减小转差率降低转子铜耗；改进和提高工艺水平降低负载杂散损耗。

如上图，在额定电压和额定频率下，电机的效率与输出功率之间的关系可用效率曲线表示。通常额定负载附近效率最高，随着负载的减小，效率逐渐降低。如果电机的额定效率足够高，那么效率随负载降低的程度就比较慢(若额定效率是99%，那么50%负载时效率一定大于98%，10%负载时效率一定大于90%)，原因请读者自行分析。

实际上，电机厂家了解到，用户选择电机时留有一定的裕量，实际使用功率往往达不到额定功率。这样设计时会把最高效率点设置在75%负载附近，节能效果更好。如果运行时负载波动较大，用户可能更关心不同负载点效率的平均值，这其实是要求恒定损耗小一些。

工频供电的永磁电机，基本适用异步电机的分析方法，但有两点不同：第一无转子铜耗（永磁体涡流损耗很小），综合其它因素后永磁电机的效率较异步电机高不少；第二定子铁耗和风摩耗不易分离（停电后转子旋转仍然有铁耗存在，所以永磁电机停机较快）。

以上分析的是单台电机的效率，接下来讨论相同电磁负荷和电磁材料、相似结构和工艺制造水平时，不同规格电机之间的效率比较。为了突出主要矛盾，我们以定子铜耗和定子铁耗代表损耗。

额定功率与额定效率之间的关系。额定功率3kW的电机，和额定功率300kW的电机相比，哪个效率高？我们都知道是后者。这是因为，电机的额定功率与电机的体积的4/3次方成正比，而损耗与体积成正比，即功率增加的比损耗快，所以功率越大效率越高。

额定转速与额定效率之间的关系。我们知道电机常数，即电压、功率都相同时，转速越低，电机的体积越大。那么同样是90kW，额定转速150转的电机，和额定转速是1500转的电机，哪个效率高呢？因为150转的电机体积远大于1500转的，而电磁负荷相当嘛，所以150转的电机损耗也远大于1500转的。所以转速越低，效率也越低。当然也不是转速越高效率越高，通常来讲额定转速1500rpm的电机效率是最高的。这是因为第一高速电机不可避免的要提高额定频率，而即使磁密不变，频率越高铁耗越大；第二转速越高，风摩耗越突出。可能有读者要问，那为什么工频下2极电机(3000转)的效率低于4极电机(1500转)呢？除了3000转时风摩耗更大外，主要是因为2极电机的材料利用率偏低，它每极下的定子轭部面积大所以铁耗大，线圈端部连接线长所以铜耗大。

额定电压与额定效率之间的关系。转速、功率都相同的话，额定电压380V的效率高，还是额定电压3300V的效率高？当然两种电机的制造工艺不同，有些不太好比较。不过我认为总的来说，低压电机的效率会高一些。因为电压越高，绝缘材料用量越多，降低了电磁材料的利用率，使得损耗会大一些。

以上，看图说话。下图IE4电机的效率指标，可以很明显的看出相关规律。这个标准的额定电压是380/660V，高压电机的效率标准请各位自行查阅。

其它方面，比如防护型式，冷却方式对效率影响，都不太大，这里不展开了。

GB18613是强制性的国家标准，规定了1000V以下工频电源供电的封闭式异步电机的能效限定值。标准分3个能效等级，1级最高3级最低，国内使用的电机最低要达到3级能效。

电机用于出口时，可参考IEC60034-30-1确定能效等级，国标GB32891.2是该标准的翻译版。实际上，GB18613中三相异步电机的效率指标就是参考的IEC标准，GB18613中的1、2、3级能效分别对应IEC60034-30-1中的IE5、IE4和IE3。

其它如高压电机、自起动永磁电机、变极电机、短时或周期工作制电机及其它特殊用途的电机均有相应的标准，可能不同应用行业也有各自的标准，这些大都是推荐性的，与用户明确引用条款即可。

接下来讨论变速的情况。这里的变速是指变频调速，变极调速和转子串电阻调速应用范围受限，且有被变频调速取代的趋势。为简单计，先讨论额定转速以下，恒转矩时效率随转速的变化情况。

转速下降时，转矩不变，电流和磁密都不变，但铁耗会随频率的1.3次方降低；定子铜耗是否改变取决于定子的温度情况（当然频率对交流电阻也有一点影响），若冷却方式与转速无关，那么定子铜耗几乎不变；异步电机的转差率变化不大所以转子铜耗随输出功率成比例变小；风摩耗的变化与冷却方式密切相关，如果电机没有自冷风扇，风摩耗很小，可以忽略：综合评价为效率是缓慢下降的。

额定转速以上一段范围内，电机可以恒功率运行。异步电机的电流变化不大，永磁电机的定子铜耗会大一些，因为需要增加直轴电流以平衡反电势；磁场变弱转差率加大所以异步电机的转子铜耗会增加；受磁密降低但是频率增加的影响，铁耗会稍小一点；风摩耗的占比较小：综合来看转速增加的相当范围内电机是可以处于高效区的。

前已讨论转速不变负载减小时效率的变化规律，这样如果以横轴表示转速纵轴转矩，恒转矩-恒功率曲线以下的效率变化情况就可以大概明确了。电动汽车主驱电机通常还要既在恒功率点的左侧超速降功率运行，又要在恒转矩-恒功率曲线以上做短时运行，上限直至每个转速时的峰值转矩。把整个运行区域内效率相同的点连起来，形成若干条像海拔等高线一样的地形图，这就是电机的效率MAP图。

显然，额定点附近的效率应该是比较高的，越靠近坐标轴或峰值转矩线，效率越低。内业有个“双85”的普遍要求，即工作区域内，效率85%以上的区域要上到总区域面积的85%以上。这种电机的定制化程度较高，我还没见过有具体要求的标准。

总之，效率曲线的只有负载转矩一个自变量，它是一维曲线；效率MAP图有转矩、转速两个自变量，它是二维平面。

以上，尚未考虑变频器供电的影响。众所周知，变频器的供电电压是高脉冲的矩形波，并不是理想的正弦波。所以与工频电源供电相比，电机的损耗会增加，增加的损耗称为附加谐波损耗。附加谐波损耗的大小与变频器的设置有关。根据IEC60034-30-2(对应国标GB32891.2)的建议，若电机额定频率为50Hz或60Hz，变频器为两电平，附加谐波损耗为基本损耗的15%（开关频率4K）或25%（开关频率2K）。具体计算方法可参考之前写过的《变频器载波频率对电机效率的影响》。

实际上附加谐波损耗的成分非常复杂，对电机的影响是多方面的，具体计算已超出本文的范围，可以发好几篇论文了。简而言之变频器的载频比越高，电压波形越接近正弦波，附加谐波损耗越小。如果转速增加而载频不变，那么高频区的附加谐波损耗要大一些。也可以从电机设计的角度减小该损耗，这正是现在研究的热门题目。

变速电机的能效标准就是刚才提到的IEC60034-30-2，对应国标GB32891.2。需要指出的是，IEC60034-30系列标准覆盖范围更广，它既包括异步电机，也包括永磁电机和磁阻电机，概括起来就是交流电动机；而且不论电机类型，功率和转速一定后就对应相应等级的效率指标。而GB18613主要覆盖的是异步电动机及特定使用场合的无刷直流电动机，且电机类型不同，对应的能效指标也不同。其它具体内容就不一一介绍了。

最后引用IEC标准中的一句话作为本文的结束语。仅仅有高效率的电机不一定会组成高效率的电力传动系统，用户应根据实际的负载运行点和工作时间来选择合适的效率等级的电机。