提高齒輪電機的效率

重點應該放在改善以及更換數量更多的分馬力設備

隨著人們對日益嚴重的能源危機的擔心，電機效率已經成為重要的、適時的話題。這是因為，電機用掉了美國國內生產用電量的63%～70%，占美國總電能消耗量的23%。

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

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）針對提高電機效率新水平方面的立法進行了大量的工作。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。

找出問題所在
美國環(huán)保署（EPA）的一項研究表明，電機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。但是，這些大功率電機在所有啟用的電機中所占份額不足1%，據估計，功率在1～19馬力范圍內的電機構成了所有啟用的電機中另外的9%。

其余的90%是由無處不在的數十億臺分馬力（FHP，即小于1馬力）電機所構成的，這些電機包括：排氣器、制冰機、真空吸塵器、高爐鼓風機、車庫門自動啟閉裝置以及數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，還有數百萬的分馬力電機，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。

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

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

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

因此，即使是功率很小的電機，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，假設費率是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到80%，那么工作成本將為102.20美元，用戶在這臺機器的生命周期內每年能夠節(jié)省62.05美元。

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

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

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

那么，既然三相電機如此之好，為什么沒有完全替代單相電機呢？這是因為有許多工業(yè)設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的單相輸入電壓轉換為頻率從0～120Hz可調的230V三相輸出，作為三相電機的電源。得益于成本不斷降低的電子產品，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速器。

根據ARC Advisory Group的數據，在2007年，小功率VFD的全球市場總值超過70億美元，而且預計到2012年將增長到近110億美元。雖然經濟比較疲軟，但小功率交流驅動器的市場需求仍然很強勁，這是因為工業(yè)基礎設施姍姍來遲的現代化終于開始起步了。

據美國能源部估計，使用VFD來控制速率，所節(jié)省的能源將高達電機總耗電量的18%。在電扇、鼓風機以及抽吸應用中，VFD可以節(jié)省大量的能源。

與使用機械系統來減少流量相比，在VFD中安裝壓力傳感器能夠更精確高效地調節(jié)流量。在風扇，鼓風機或抽吸應用中使用VFD，當工作在額定速率的80%時，能量消耗可以降低一半。

對分馬力電機而言，VFD要比簡單的直流調速器稍微貴一些。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械部件的震動并延長設備的使用壽命。

不要忘記傳動效率
為了最大化齒輪電機系統的總體效率，要避免低的傳動效率抵消電機效率的增加。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_到98%左右。