提高齒輪電機(jī)的效率

重點應(yīng)該放在改善以及更換數(shù)量更多的分馬力設(shè)備

隨著人們對日益嚴(yán)重的能源危機(jī)的擔(dān)心，電機(jī)效率已經(jīng)成為重要的、適時的話題。這是因為，電機(jī)用掉了美國國內(nèi)生產(chǎn)用電量的63%～70%，占美國總電能消耗量的23%。

但是，到目前為止，大多數(shù)用于改善電機(jī)效率的工作都只集中在電機(jī)總耗電量的10%左右。原始設(shè)備制造商（OEM）機(jī)械設(shè)計人員可以為能源節(jié)約做出獨特的貢獻(xiàn)，方法是謹(jǐn)慎地選擇和使用合適的新型電機(jī)、齒輪電機(jī)以及駕駛裝置。

為效率立法
《1992能源政策法案》（EPAct）和《2007能源獨立和安全法案》（EISA）針對提高電機(jī)效率新水平方面的立法進(jìn)行了大量的工作。有理由相信，這些工作主要針對的是整馬力（大于1馬力，即746W）電機(jī)。

找出問題所在
美國環(huán)保署（EPA）的一項研究表明，電機(jī)所消耗的總電能中的80%以上來自于具有20馬力或更高馬力值的電機(jī)。但是，這些大功率電機(jī)在所有啟用的電機(jī)中所占份額不足1%，據(jù)估計，功率在1～19馬力范圍內(nèi)的電機(jī)構(gòu)成了所有啟用的電機(jī)中另外的9%。

其余的90%是由無處不在的數(shù)十億臺分馬力（FHP，即小于1馬力）電機(jī)所構(gòu)成的，這些電機(jī)包括：排氣器、制冰機(jī)、真空吸塵器、高爐鼓風(fēng)機(jī)、車庫門自動啟閉裝置以及數(shù)以千計的其他消費類電器。在成千上萬種商業(yè)和工業(yè)電器中，還有數(shù)百萬的分馬力電機(jī)，它們涉及到抽吸、分發(fā)、制冷、輸送、攪拌以及自動化的各個方面。

對分馬力電機(jī)的研究讓我們認(rèn)識到，一般而言，電機(jī)的效率會隨著其尺寸的增加而增加。同時，隨著電機(jī)額定馬力值的增加，一般效率電機(jī)和超高效率電機(jī)之間的差別將會減小。

例如，1馬力電機(jī)的一般效率額定值可能是78%，而同等尺寸電機(jī)的最優(yōu)效率可能是82.5%。不過，對250馬力的電機(jī)而言，一般效率增加到94.1%，而最優(yōu)效率是95.8%。

提高分馬力電機(jī)的效率
不過，在分馬力電機(jī)中，標(biāo)稱效率要比這個數(shù)值低得多，這是因為它們的尺寸太小，無法使用整馬力電機(jī)中用來增進(jìn)效率的技術(shù)：包含更多的銅或其他方法。此外，傳統(tǒng)的分馬力電機(jī)的效率與經(jīng)過改善之后的效率之間的差別可能會高達(dá)30%或者更多。

因此，即使是功率很小的電機(jī)，也可能會節(jié)省大量的能量。例如，如果在加利福尼亞州或伊利諾伊州使用一個效率為50%的1/8馬力（93W）齒輪電機(jī)，假設(shè)費率是10美分/kWh，那么每年的成本是164.25美元。比較一下，如果能源效率可以達(dá)到80%，那么工作成本將為102.20美元，用戶在這臺機(jī)器的生命周期內(nèi)每年能夠節(jié)省62.05美元。

永磁直流電機(jī)與固定分相電容式電機(jī)
在有些情況下，通過使用永磁直流（PMDC）電機(jī)代替固定分相電容式（PSC）交流電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)效率的顯著改善。PSC電機(jī)的最大效率可能要更高一些，但是它們的效率在工作負(fù)載點處可能會低得多。

三相勝過單相
三相電機(jī)的效率通常要高于單相電機(jī)。例如，單相1/20馬力（37W）齒輪電機(jī)的效率可能是53%，而三相電機(jī)的效率則可以達(dá)到64%。

除了效率更高之外，三相電機(jī)也更加可靠。單相電機(jī)不能自啟動。因此，人們開發(fā)了多種不同的啟動機(jī)制，這些啟動機(jī)制會增加成本、零件數(shù)量，而且可能是導(dǎo)致電機(jī)壽命無法最大化的弱點所在。

那么，既然三相電機(jī)如此之好，為什么沒有完全替代單相電機(jī)呢？這是因為有許多工業(yè)設(shè)備裝置中沒有提供三相電源。

使用變頻器
一種合理的解決方案是使用變頻器將115或230V的單相輸入電壓轉(zhuǎn)換為頻率從0～120Hz可調(diào)的230V三相輸出，作為三相電機(jī)的電源。得益于成本不斷降低的電子產(chǎn)品，變頻器（VFD）變得體積更小，功能更多，而且還提供了額外功能，絲毫不遜色于低成本的直流調(diào)速器。

根據(jù)ARC Advisory Group的數(shù)據(jù)，在2007年，小功率VFD的全球市場總值超過70億美元，而且預(yù)計到2012年將增長到近110億美元。雖然經(jīng)濟(jì)比較疲軟，但小功率交流驅(qū)動器的市場需求仍然很強(qiáng)勁，這是因為工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施姍姍來遲的現(xiàn)代化終于開始起步了。

據(jù)美國能源部估計，使用VFD來控制速率，所節(jié)省的能源將高達(dá)電機(jī)總耗電量的18%。在電扇、鼓風(fēng)機(jī)以及抽吸應(yīng)用中，VFD可以節(jié)省大量的能源。

與使用機(jī)械系統(tǒng)來減少流量相比，在VFD中安裝壓力傳感器能夠更精確高效地調(diào)節(jié)流量。在風(fēng)扇，鼓風(fēng)機(jī)或抽吸應(yīng)用中使用VFD，當(dāng)工作在額定速率的80%時，能量消耗可以降低一半。

對分馬力電機(jī)而言，VFD要比簡單的直流調(diào)速器稍微貴一些。但是它們提供了許多新的功能，比如通過軟啟動來降低對機(jī)械部件的震動并延長設(shè)備的使用壽命。

不要忘記傳動效率
為了最大化齒輪電機(jī)系統(tǒng)的總體效率，要避免低的傳動效率抵消電機(jī)效率的增加。雖然直角蝸輪減速器是一種空間利用率很高的方案，但是它們的效率只有50%或更低，而平行軸減速器中的正齒輪和斜齒輪的效率通?？梢赃_(dá)到98%左右。