梁棟周勝
國際銅業協會（中國） 北京南禮士路66號建威大廈1202 100045
摘要：提高電動機的能效水平無論對於終端使用者提高能源利用率、促進可持續發展還是節約能源費用都具有非常重要的意義。銅具有極其優異的的導電性能，銅在電動機領域的應用對於提高電動機的能效具有非常重要的意義。
作為銅在高效電動機領域應用的乙個成功案例，鑄銅轉子電動機具有效率高、材料成本低、重量輕、體積小、壽命長等諸多優點。本文介紹了鑄銅轉子電動機的優點以及在國內外的發展情況。通過分析比較，認為鑄銅轉子電動機必將具有廣闊的市場前景。
關鍵詞：銅鑄銅轉子高效電動機節能降耗
1．前言：
銅，英文名稱copper，源自拉丁文cuprum，是以產銅聞名的賽普勒斯島的古名。西方傳說，古代地中海的cyprus島是出產銅的地方，因而由此得到銅的拉丁名稱cuprum和銅的元素符號cu。銅是人類最早發現使用的金屬之一，也是人類用於生產的第一種金屬，最初人們使用的只是存在於自然界中的天然單質銅，用石斧把它砍下來，便可以錘打成多種器物。
隨著生產的發展，只是使用天然銅製造的生產工具就不敷應用了，從而促使人們找到了從銅礦中取得銅的方法。含銅的礦物比較多見，大多具有鮮豔而引人注目的顏色，例如：金黃色的黃銅礦cufes2，鮮綠色的孔雀石cuco3·cu(oh)2，深藍色的石青2cuco3·cu(oh)2等，把這些礦石在空氣中焙燒後形成氧化銅cuo，再用碳還原，就得到金屬銅。
純銅具有紫紅色的金屬光澤。 純銅的密度8.92×103 kg/m3, 熔點1083.
4±0.2℃，沸點2567℃。常見化合價為+1和+2（3價銅僅在少數不穩定的化合物**現， 電離能7.
726電子伏特。銅不僅是人類發現最早的金屬之一，也是最好的純金屬之一，稍硬、極堅韌、耐磨損，具有良好的延展性。
特別是，銅的導電和導熱性除略遜於銀以外，是所有金屬中最好的。工程上，把退火純銅的導電性規定為100％， 其它材料與它對比進行標定，稱為iacs值（國際退火銅標準值）。因為銅的導電性對微量雜質很敏感，所以在生產上可以用iacs值作為銅純度的乙個指標。
高純銅的iacs值可達 101.5％。高純鋁（99.
996％）和工業純鋁（99.5％）的iacs值分別為64.94％和 59％。
也就是說，在電氣工程應用中，銅材的導電性比鋁材高35％以上。
銅所具有獨特的導電性能，是鋁所不能代替的，這也是銅在電能**及使用領域中大量應用的原因。 從電能的產生、輸送、分配到最終使用過程中，銅都發揮著非常重要的作用。本文將著重討論銅對電能使用的主要裝置－電動機能效提高方面的作用。
作為生產生活中最重要的動力裝置之一，電動機承擔著將電能轉換成機械能，從而驅動機械裝置的作用。而銅對於電動機能效的提高有起著不可替代的作用。根據美國能源部的統計，其電動機的用電量佔工業總用電量的2/3，佔其全部用電量的1/2，電動機所傳遞的能量消耗其一次能源總量的20%。
歐盟2023年的統計資料顯示，當年歐盟的總用電量為17000億kwh，而其中電動機的用電量為7190億kwh，佔其總用電量的42%。目前我國電動機的耗電量約佔我國社會總用電量的60%左右。
正是由於電動機在工業用電中所佔的比重如此之大，提高電動機的能效對於促進能源的節約利用，保護環境以及可持續發展都具有非常重要的意義。根據歐盟有關專家在2023年**，到2023年歐盟的工業和第三產業中非同步電動機的用電量將達到8720億kwh，如果能將不同功率的電動機的效率提高1％-6％，屆時可以節約電能3%左右，價值26億歐元（10歐分/kwh）。同樣，在美國，電動機的效率僅僅提高乙個百分點，每年就能節省約200億kwh的電能，價值14億美元（7美分/kwh）。
在我國，為了落實科學發展觀，實現人與環境的協調可持續發展，提高電動機能效水平具有十分重要的意義。電機系統節能工程已被列入我國 「十一五」期間將要實施的十大節能工程，這也充分體現了電動機節能工作的重要性。
要想提高電動機的能效，就需要降低電動機的損耗，以目前使用最為普遍的三相交流非同步電動機為例，電動機的損耗主要包括鐵心損耗，定、轉子銅損、風摩損耗以及雜散損耗， 它們佔電動機總損耗的比例以及主要影響因素如下表所示。
從表中可以看出，定、轉子的銅損佔電動機總損耗的很大一部分，而銅正可以在降低電動機定、轉子損耗方面發揮重要的作用。對於定子繞組銅損pcu1主要為滿載時定子繞組在執行溫度下的電阻損耗。定子繞組銅損耗計算公式為：
pcu1 = 3 i12 r1
定子銅耗在電動機損耗中占有相當大的比例。如何降低定子銅耗,對提高電動機的效率非常關鍵。降低定子銅耗就是降低定子電阻r1和定子電流i1。
因為定子電阻r1 =ρl /s , 故降低定子電阻就是通過縮**圈長度l、加大每圈導線截面s和降低導線電阻率ρ來實現。由於銅所具有的極低的電阻率，因此絕大多數電動機都採用銅線來製作電動機的定子繞組。對於已經使用銅繞組的電動機而言，增大銅線截面是發展高效電機的乙個關鍵措施。
近年來己率先開發出來的一些高效電機與傳統電機相比，銅繞組的使用量增加25～100%。
對於轉子損耗，目前絕大多數電動機的轉子都是鑄鋁轉子，如果使用鑄銅轉子替代目前鼠籠式三相非同步電動機廣泛使用的鑄鋁轉子，電動機的總損耗將可以顯著下降，從而提高電動機的整體效率。使用鑄銅轉子可以製造出高效甚至超高效的電動機。在同樣的電動機尺寸條件下，可以達到更高的電機能效水平。
例如，從歐盟的能效標準eef2，公升高到更高的能效標準eff1。或者，從為普通感應電動機制定的epact（2023年美國聯邦能效法規）公升級到nema（國家電氣製造商協會）premium超高效標準。針對鑄銅轉子的特性重新設計電動機的轉子和定子，可以最大限度的提高效率，以達到更高的甚至super premium超超高效的能效標準。
3．鑄銅轉子電動機
以下就詳細介紹銅在提高電動機能效方面應用的例項－鑄銅轉子電動機。
使用鑄銅轉子的電動機可以有效降低電動機的轉子損耗，從而幫助提高電動機的效率，在電動機損耗降低的同時，由於轉化為熱能的能量減少，從而使得轉子以及定子線圈溫度降低。較低的溫度就意味著可以使用較小的風扇甚至不使用風扇，這將會減少附加零件的摩擦損失以及空氣阻力的損失，從而進一步提高電動機的效率。同時，由於電動機的工作溫度的降低，將大大延長電動機的壽命和降低維修費用。
按照一般規律，電動機的溫度每降低10攝氏度，絕緣材料的壽命就增加一倍。在正常維修的情況下，鑄銅轉子的電動機具有更久的使用壽命以及更高的使用可靠性。
由於銅的低電阻率，相同感應電壓下轉子中的電流要大於鑄鋁轉子，因此可以使用較少的材料來製造相同功率和效率的電動機。正是由於所用材料的減少，使得鑄銅轉子電動機在功率和效率相同的情況下，比傳統電動機具有更低的材料成本，較小的重量以及更小的體積。同時，由於鑄銅轉子電動機所具有的以上優點，為電動機的設計以及製造廠商提供了更大、更靈活的設計空間——既可以追求高效率，也可以追求低成本、小體積、低重量，或者在幾者之間進行平衡。
雖然鑄銅轉子具有很多優點，但由於鑄銅轉子生產的困難性，使得目前電動機廣泛使用的仍然是鑄鋁轉子。鑄銅轉子生產的難點是：銅的純度以及很高的壓鑄溫度。
銅壓鑄的澆注溫度在1100攝氏度左右，而鋁壓鑄的澆注溫度僅為700攝氏度左右。這樣高的澆注溫度對於模具以及壓鑄機的壓室都是很大的考驗。這也成為了目前影響鑄銅轉子廣泛應用的主要障礙。
近年來國際銅業協會在美國能源部的支援下，進行了銅壓鑄工藝的研究。目前已解決高溫模具的材料以及相關的壓鑄工藝問題，從而使得經濟的大批量生產鑄銅轉子成為了可能。
國際銅業協會所進行的相關研究工作證明了鑄銅轉子電動機所具有的一系列的優點。表1所示為1.1kw，5.
5kw，11kw，37kw鑄銅轉子電動機和傳統型別電動機效能以及各項損耗的對比。表中各項資料的測試方法採用ieee 112-b。從表中可以清楚的看出鑄銅轉子電動機所具有的高效率、低溫公升的特性。
表中的四種型號電動機的效率都達到或超過了eff1標準。同5.5kw，11kw，37kw電動機相比， 1.
1kw鑄銅轉子電動機相比傳統電動機的效能有非常大的提公升。這是因為與另外三種型號的電動機不同，1.1kw的鑄銅轉子電動機除了用銅替代鋁以外，還使用了比傳統電動機導磁性能更好的矽鋼片。
與此相對應，5.5kw，11kw，37kw的電動機只是使用銅替代了鋁，並針對銅的特性對轉子以及定子進行了優化設計，就達到了如此好的效能提公升。
從表中還可以看出，除了1.1kw的電動機，其它三種型號的電動機效率的提公升主要得益於轉子損耗的降低。鑄銅轉子的損耗比傳統的鑄鋁轉子要低50％到60％。
對於雜散損耗而言，其對電動機效率的影響隨著電動機額定功率的增大而增大。37kw電動機的雜散損耗佔電動機額定損耗的2％。通過大量實驗，可以發現鑄銅轉子的乙個顯著的優點就是可以大大降低雜散損耗。
這可以解釋為轉速差的降低。從表1中可以清楚的看出鑄銅轉子的這一特性。
表1. 不同額定功率鑄銅轉子電動機與傳統電動機效能比較
在實際應用環境中，電動機的實際執行功率並不是總是等於電動機的額定功率的，電動機在低於額定功率的情況下執行是非常常見的。因此，電動機在其它負荷情況下的效率也必須進行考慮。
電磁與電動機總結
電磁鐵與自動控制 1.磁性 磁體 磁極 磁性 能夠吸引鐵 鈷 鎳等物質的性質 磁體 具有磁性的物體 1 從形狀上來分 可分為條形磁體 蹄形磁體 針形磁體 2 從 上來分 可分為天然磁體和人造磁體 3 從保持磁性時間的長短來分 可分為硬磁體 或永磁體 和軟磁體 磁極 磁體上磁性最強的部分叫做磁極 1 ...
車床主軸電動機與潤滑油幫浦電動機的控制電路11 1
摘要工具機電氣控制線路設計是高職機械專業學生學完大學的課程後進行的，學生已經掌握了機械製造 機械加工的一些基本技能，從事工具機電氣控制線路的設計是對以前所學電氣知識的綜合回顧和複習，以後對各種工具機控制電路都可觸類旁通，能自己動手設計和改進相應電路，也能排除相關電氣故障。主軸機必須在油幫浦開動後才能...
步進電動機的選擇與計算
數控產品設計時，根據工作系統的力學模型，計算選擇步進電動機或伺服電動機的規格型號，是進行數控產品設計的乙個重要環節。因為電動機的引數決定著數控系統中各功能模組的效能引數，各功能模組都要與電動機相匹配，這裡以用普通車床c616改為簡易數控車床為例。說明步進電動機的計算過程。1 c616車床的各引數 1...