能源的消耗對任何行業(yè)來說都是一個無法回避的話題，而隨著如今越來越多的關(guān)注開始投向于化石燃料的燃燒會對全球氣候造成怎樣的影響，各種公司，不分大小，都開始尋找一種更節(jié)能的運(yùn)營方式。顯然，高能效電動機(jī)的出現(xiàn)是一種必然的趨勢。但是電動機(jī)的高能效并不總是等于節(jié)省能源。

　　真正能產(chǎn)生節(jié)能效果的是一個要大得多的動作，一個將整個傳動系統(tǒng)考慮在內(nèi)的大動作。這是因?yàn)椋粋€高能效電動機(jī)即使在最佳運(yùn)行狀態(tài)下，也只能減少10%的能耗量。因此，要想大幅度節(jié)約用能，更重要的是對可以節(jié)能30%的電子速度控制裝置和節(jié)能60%的優(yōu)化機(jī)械系統(tǒng)的應(yīng)用。

　　在考慮節(jié)約用能時，最大的一塊蛋糕可能不是電子系統(tǒng)，而在于機(jī)械系統(tǒng)。

　　理解能量的損失

　　能量被定義為儲存在一個系統(tǒng)中的功的總量或一個系統(tǒng)所能產(chǎn)生功的能力總和。如果部分電能流過一個系統(tǒng)時未能實(shí)際用于做功，則這部分電能被認(rèn)為是被浪費(fèi)了。換句話說，一個系統(tǒng)的效率越高，損失的能量就越少。

　　工程師們將進(jìn)入系統(tǒng)的能量與系統(tǒng)輸出的能量相減來計(jì)算系統(tǒng)工作時浪費(fèi)的能量值，具體公式如下：Pin – Pout = Ploss 。

　　那么能量是怎么流失的呢？一個傳動系統(tǒng)通常由一個電動機(jī)、一個驅(qū)動器、一套傳動裝置及其相關(guān)的線纜配置組成。能量可以從其中任一組件上流失。舉例來看，在一個感應(yīng)電動機(jī)中，就存在著摩擦、磁化和電阻損耗。一個電動機(jī)的構(gòu)造設(shè)計(jì)與制造它所用的材料材質(zhì)都會對能量損失產(chǎn)生重要的影響。

　　既然任一組件上都會發(fā)生能量流失，那么就讓我們一個一個地來分析一下。

　　高能效電動機(jī)通常只能在特定運(yùn)行環(huán)境下實(shí)現(xiàn)最佳性能表現(xiàn)。而當(dāng)它在其理想環(huán)境之外工作時，它的表現(xiàn)可能尚不如一臺常規(guī)電機(jī)。請?jiān)谧龀瞿愕倪x擇前確定，你已經(jīng)充分理解了這些特性。

　　電動機(jī)——電動機(jī)產(chǎn)生能量損耗的主要原因有：軸承與密封圈的摩擦，電機(jī)風(fēng)扇的風(fēng)阻，表現(xiàn)為磁滯和渦流形式的鐵損（由制作定子和轉(zhuǎn)子疊合時采用的金屬片質(zhì)量所決定）、銅損（I2R損耗），以及諧波。

　　因此，改進(jìn)電動機(jī)的用能效率可以通過使用更低阻抗的優(yōu)質(zhì)材料來達(dá)到，例如用銅代替鋁來制造轉(zhuǎn)子籠；亦可以通過增加電動機(jī)有功分量的大小來實(shí)現(xiàn)。這就是為什么高能效電動機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量比普通電動機(jī)要高的原因。不過這里必須要注意一點(diǎn)——有時候你會覺得使用一臺標(biāo)識著更高能效的電動機(jī)是一個更好的選擇，即使這臺電動機(jī)的額定功率要高于你實(shí)際需要的大小，但事實(shí)上，這個標(biāo)識的能效數(shù)值只有在全負(fù)荷運(yùn)作時才能達(dá)到。

　　一臺10馬力的電動機(jī)可能在能效排名中高于一臺5馬力的電動機(jī)，但是它所需的電流也要多得多。并且，一臺非滿負(fù)荷運(yùn)行的電動機(jī)是非常低效的。有條經(jīng)驗(yàn)法則是這樣說的，保持電動機(jī)在其額定功率的80%~90%范圍內(nèi)使用是最好的。使用VFD（變頻驅(qū)動器）可以幫助我們將電動機(jī)的速度降低，使其保持在最佳使用范圍內(nèi)。

　　配線——電纜同時具有兩種損耗：電阻損耗和電容（能量的儲存）損耗。導(dǎo)體中的電阻損耗與其直徑成反比，與其長度成正比。按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，電纜中的整體能量損耗允許值為總傳輸量的5%。短又粗的導(dǎo)體能最大程度減少能量的損失。

　　傳動裝置——傳動裝置中的能量損耗主要是由于齒輪間相互咬合時產(chǎn)生的摩擦所帶來的。例如，渦輪傳動裝置，就是一種效率最低的傳動裝置，因?yàn)樗ぷ鲿r包括了相當(dāng)數(shù)量的滑動動作，從而產(chǎn)生了大量的摩擦。

　　缺乏足夠的潤滑同樣也是摩擦和能量損耗產(chǎn)生的原因之一。錯誤的安裝位置、溫度和浸入深度是這里面的關(guān)鍵因素。潤滑油的流動由其自身的溫度和粘度決定。油的粘稠度越高，齒輪運(yùn)動所需扭矩就越大。而油的溫度越高，其介質(zhì)就顯得更為稀薄，同時損失的能量就越少。外殼的設(shè)計(jì)同樣決定了內(nèi)部組件的結(jié)構(gòu)安排，以及潤滑油的流動。

　　軸承和油密封圈同樣也在高能效系統(tǒng)組件中占有一席之地。傳動部件的效率由其自身的損耗和電動機(jī)和傳動件之間的密封圈共同決定。輸入的速度越快，傳動裝置產(chǎn)生的損耗和由于油劇烈波動而產(chǎn)生的損耗就越高。

　　變換器——當(dāng)變換器或變速驅(qū)動器被用于動力傳動系中以減少能量的消耗時，它們本身也會在運(yùn)行中消耗電能。一個驅(qū)動器能對節(jié)能產(chǎn)生多大的效用取決于它能在多大程度上幫助你管理電動機(jī)運(yùn)行情況以降低輸出功率的能力。而其對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速斜坡和有效扭矩的控制往往就直接轉(zhuǎn)化為對能量消耗的管理。

　　提高系統(tǒng)效率

　　在設(shè)計(jì)高能效系統(tǒng)的時候，對系統(tǒng)或過程進(jìn)行一個全面的審視是很重要的。當(dāng)幾臺機(jī)器或者組件作為一個系統(tǒng)一起工作時，它們各自的工作效率必須相乘以得到整體的效率。

　　舉例來說，當(dāng)一臺高效電動機(jī)的工作效率為95%左右，一套渦輪傳動裝置的效率就在50%~80%之間，具體數(shù)值由其構(gòu)成和型號決定。而將這臺高效電動機(jī)與渦輪傳動裝置一起使用時，卻無法達(dá)到預(yù)期的生產(chǎn)效果，因?yàn)檫@個系統(tǒng)的整體工作效率會更接近傳動裝置的效率，而不是電動機(jī)的。

　　充分理解這一事實(shí)與正確選擇合適的組件同樣重要。高能效電動機(jī)的設(shè)計(jì)初衷都是為了能在持續(xù)的運(yùn)行中，例如風(fēng)扇或泵，減少能量的消耗。因此，它們的轉(zhuǎn)子通常比普通電動機(jī)更重一些，以使它們在啟動后能更好地利用慣性的作用。但是在一些應(yīng)用中，電機(jī)需要間歇性地運(yùn)行，頻繁地啟動與停止，這時，這些重量較大（通常尺寸也較大）的大慣性轉(zhuǎn)子就成了真正的能量燃燒器，因?yàn)樗枰嗟哪芰縼韱舆@些高能效電動機(jī)。

　　現(xiàn)在想想你身邊有的設(shè)備，比如在機(jī)場和包裹處理系統(tǒng)常見的分類器、推進(jìn)器和索引器；或者自動化工廠里的傳輸帶、包裝機(jī)械上的出料傳輸帶之類的設(shè)備；也可以是大型包裝機(jī)械，如碼堆機(jī)和托盤包裝機(jī)。用于這些機(jī)械的高頻電動機(jī)可能只會全速運(yùn)行幾秒鐘的時間，但卻時時處于啟動狀態(tài)。因此在這些應(yīng)用場合，采用低慣性轉(zhuǎn)子的電動機(jī)會節(jié)省大量的能源。

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　　極具實(shí)用性的工程設(shè)計(jì)

　　在不同場合的應(yīng)用需要進(jìn)行不同的工程設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)對能量損耗和消耗的減少。以下案例僅僅代表了其中的兩種思路。

　　傳送帶——許多用于汽車裝配、包裝或包裹處理的傳送帶系統(tǒng)通常是由一整套包括一臺NEMA結(jié)構(gòu)電動機(jī)、一個外置離合器制動器、減速器、V型皮帶和數(shù)個皮帶輪在內(nèi)的設(shè)備組合驅(qū)動的。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)時的采用高慣性因素的作用和每次使用離合器時設(shè)備的重復(fù)振蕩，使得各個組件時時都處于巨大的壓力之下，因此，必須經(jīng)常更換減速器和離合器，從而造成了頻繁的停工，產(chǎn)生了令人難以接受的額外能量消耗。

　　雖然單次的啟停操作可能只消耗了數(shù)分之一秒的能量，但是在這些應(yīng)用中，這種啟停可能每小時就會發(fā)生數(shù)千次。如果以月乃至年計(jì)，其對能量的消耗和由此產(chǎn)生的設(shè)備熱損是無法估量的。

　　有一種效率更高的IEC型齒輪電動機(jī)可以取代這類笨重的傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它包含了一個完整的制動器、一個軸裝式螺旋錐齒輪減速機(jī)和一臺變頻驅(qū)動器。這種最新型的系統(tǒng)降低了維護(hù)強(qiáng)度，減少了配件的更換和能量的消耗，保證了設(shè)備能夠擁有更長的持續(xù)工作能力。

　　存儲與檢索——在一個常見的，如工廠配備件管理倉庫里使用的垂直型存儲與檢索系統(tǒng)中，通常有兩臺驅(qū)動器分別處理縱軸和橫軸上的動作。由于能量的大小和質(zhì)量與高度的乘積成正比，因此儲存在架子上的貨物就有了潛在的能量。這些能量在貨物的高度下降時就會釋放出來。

　　同樣的，我們也要考慮到水平方向上負(fù)載移動時的動能。讓我們看看當(dāng)這個慣性不小的水平負(fù)載減速運(yùn)動時，能量發(fā)生了什么變化。在常規(guī)控制中，兩根軸線上釋放出來的能量都浪費(fèi)在了制動電阻身上，損失了大量的動力。有一種可以獲得更高能效的方法是，通過一個可編程控制器緊密地控制兩個驅(qū)動器動作的時機(jī)。這樣，一臺驅(qū)動器制動時產(chǎn)生的能量就能夠成為另一臺動作的動力了。

　　通過這樣可反復(fù)再生的能量互助，能量消耗的總量顯著地下降，根據(jù)系統(tǒng)的個體差異，降幅可達(dá)到25%~40%，且對系統(tǒng)的動力供給和持續(xù)工作能力沒有任何的影響。

　　效率的關(guān)鍵因素

　　節(jié)能的設(shè)計(jì)要求包括了降低功率損耗和減少能量消耗兩部分內(nèi)容。

　　以下是降低功率損耗的五個關(guān)鍵因素：

　　·增強(qiáng)齒輪傳動單元的效率；

　　·增強(qiáng)電動機(jī)的效率；

　　·取消非必要的功能；

　　·盡可能地循環(huán)使用在直接利用、制動能量的再生和能量儲存中釋放出來的能量；

　　·根據(jù)實(shí)際需要確定各組件的尺寸。

　　除降低功率損耗以外，工程師們也需要考慮減少能量消耗的問題，下面就是它的四個關(guān)鍵因素：

　　·降低/控制輸出速度；

　　·通過剛性傳動組件，適合的配重和盡可能少的摩擦來降低負(fù)荷扭矩；

　　·采用能量節(jié)省模式；

　　·關(guān)閉設(shè)備。

　　總而言之，對于電動機(jī)驅(qū)動的系統(tǒng)，單一的節(jié)能措施是不夠的。動力傳送系統(tǒng)上的每一個部件都提供了改進(jìn)效率、降低功率損耗的可能。與所需的工程設(shè)計(jì)方案一樣，這些可能隨著具體應(yīng)用的不同而不同。想要實(shí)現(xiàn)智能節(jié)能，就需要我們重新思考過去的一些假設(shè)和實(shí)踐。而最重要的是，它意味著節(jié)約能源的工程存在于每個系統(tǒng)、每臺機(jī)器和每個進(jìn)程中。