Двигатели с литым медным ротором: шпагат между ценой и эффективностью

Российские потребители ориентируются только на стоимость электродвигателей, забывая о стоимости жизненного цикла

Медная паяная клетка ротора использовалась при изготовлении асинхронных двигателей большую часть прошлого века, прежде чем уступила место литой алюминиевой. В конце ХХ века, когда парадигма проектирования «экономия материалов» изменилась на парадигму «экономия электроэнергии и медленно восполняемых ресурсов», об использовании меди задумались вновь, и появилась технология литого медного ротора. Один из производителей литых медных роторов – французская компания Favi утверждает, что двигатели с такими роторами имеют повышенный КПД: на 4,3 % при замене обычной алюминиевой клетки на медную и на 6,5% - при оптимизированном роторе (для асинхронного двигателя мощностью 3кВт) [1].

Энергосберегающие двигатели серии DRN (0,75 кВт–225 кВт) компании SEW Eurodrive с литым медным ротором имеют класс энергоффективности IE3 и способны сэкономить до 40% электроэнергии по сравнению со стандартными моторами

Интересная научная информация представлена профессором Richard E. Defay, сотрудником Ассоциации содействия развитию промышленности медных сплавов (CDA), в докладе A Comparative Efficiency Analysis of a 7.5 HP Copper Rotor Motor and Three Permanent Magnet Motors на знаменитой регулярной конференции по энергоэффективым двигателям и приводам EEMODS 2015 [2]. Сопоставлялся двигатель с медным ротором и три двигателя с постоянными магнитами при работе от преобразователя частоты. Регулирование проводилось в диапазоне моментов 0,25÷1,1 Мн и диапазоне скоростей 0,55 ÷ 1,0 Nн. Сравнение энергоэффективности системы электропривода в целом, включая ПЧ, показало в большинстве режимов преимущества двигателя с медным ротором. Автор доклада акцентирует внимание, что двигатели приобретались через обычные коммерческие каналы. Стоимость двигателя с медным ротором + ПЧ составляла от 30 до 70 % стоимости СДПМ+ПЧ. Казалось бы, такая информация должна привлечь внимание создателей двигателей, однако в России сегодня технология литого медного ротора практически не используется. Почему? Этот вопрос мы адресовали экспертам.

Сергей Попов, «ПЭМЗ»

Алюминиевая литая клетка пока не вытеснена медной (сварной или паяной) ввиду ее большей технологичности для серийного и крупносерийного производства общепромышленных АД. Медные литые, сварные либо паяные беличьи клетки применяют в основном в АД специальных исполнений — например, тяговых.

Владимир Прахт, УрФУ

Двигатель с литой медной клеткой будет дороже, а КПД будет выше. Однако в России все еще слишком дешевое электричество, традиционно энергосбережением мало кто занимается, и стоимость жизненного цикла никто в расчет не принимает. Об энергосбережении много говорят на конференциях, но когда начальник или менеджер по закупкам принимает решение что-то купить, то вопрос цены (установочной стоимости) двигателя чаще всего является определяющим. Поэтому в большинстве случаев покупают самые дешевые двигатели с низким КПД.

КМ: Насколько сложна технология изготовления ротора с литой медной клеткой и способны ли российские литейщики производить сплав с низким содержанием кислорода (300-600 ppm) и бороться с пористостью?

Сергей Попов, «ПЭМЗ»

Возможной причиной относительно слабого распространения технологии литья медных роторов является экономическая нецелесообразность её внедрения ввиду малого количества заказов на специальные АД. Так, по нашим сведениям, потребность в тяговых АД для электротранспорта составляет около 100 штук в месяц.

Владимир Прахт, УрФУ

Безусловно, изготовление таких двигателей означает дополнительные технологические сложности. Но если будет потребность и возникнет запрос от индустрии, то литейщики вместе с наукой решат эту задачу. Вопрос только – как быстро? В крайнем случае производители электродвигателей могут купить готовое зарубежное оборудование и освоить технологию. Но стоит ли в эту технологию вкладываться сейчас российскому производителю электродвигателей?! В нашей стране даже двигатели класса энергоэффективности IE2 покупают мало, так как они чуть дороже, чем двигатели IE1. Сколько энергии (денег) будет теряться в двигателе с низким КПД, у нас почти никто не учитывает. Принимают решения чаще всего люди, для которых самое главное – это низкая цена (установочная стоимость) двигателя… Но потом при эксплуатации двигателя с низким КПД придется платить намного больше за электроэнергию.

На российском рынке уже есть асинхронные двигатели класса энергоэффективности IE4 [3, 8] . Спросите у производителя: сколько они продали их в России в 2018 году?! Думаю, в лучшем случае несколько штук. Наша научная группа проектирует частотно-регулируемые синхронные реактивные двигатели без магнитов класса энергоэффективности IE5 [4] (самый высокий энергоэффективности) в соответствии со стандартом IEC 60034-30-2, которые ниже по себестоимости производства, чем асинхронные двигатели. Но даже дешевые и надежные двигатели с высоким КПД никому не нужны на российском рынке. То, что востребовано в Европе, США, Китае и т. д., – у нас не нужно.

Полагаю, пока в России не будет законодательного регулирования в области энергосбережения по электродвигателям, как в Евросоюзе, США, КНР и других странах - то есть запрет ставить двигатели низких классов, - ничего не изменится. Цены на электричество и на другие энергоносители для промышленности тоже следует постепенно поднимать. Только такие комплексные меры создадут реальный спрос на энергоэффективные двигатели. Все мы много раз слышали такие правильные слова: «Для обеспечения конкурентоспособности продукции российского производства необходимо снижать энергоемкость» [9]. Однако идут годы, а ничего не меняется, эта фраза будет еще долго актуальной: «Энергоемкость ВВП развитых стран в 2-3 раза ниже, чем в России…» [9]. Полезно изучить опыт европейцев, в частности Швейцарии [5]: 62.5% продаваемых там двигателей в 2017 году - это IE3. К сожалению, в России большинство продаваемых двигателей - это IE1.

Распределение электродвигателей, проданных в Швейцарии в 2017 году, по классам эффективности (0.75 - 375 кВт, 2-, 4-, 6-полюсов)

КМ: В 2011 году китайцы создали 30 кВт асинхронный двигатель с литым медным короткозамкнутым ротором, 2р=6 и КПД 94,3%. Насколько эффективна эта разработка в настоящее время? Как можно оценить эти параметры?

Сергей Попов, «ПЭМЗ»

Оценить китайский АД с литым медным короткозамкнутым ротором по представленным параметрам невозможно ввиду отсутствия важнейших показателей, в том числе массогабаритных, а также сведений по технологии изготовления пакетов статора и ротора.

Андрей Кобелев, «НИПТИЭМ»

Соотношение мощности и числа полюсов говорит о том, что это двигатель класса IE4 (суперприемиум) по IEC 60030-30-1. Считается, что это предельный уровень энергоэффективности для асинхронной машины данного габарита. Поэтому и в настоящее время эта разработка весьма современна. Для более точного анализа желательно знать габариты и показатели по кратности пускового момента и тока.

Владимир Прахт, УрФУ

Для 30 кВт 2р=6 это величина КПД соответствует классу энергоэффективности IE4. Но ротор большого габарита технологически сложно заливать даже алюминием. Равномерно ли залили китайские производители медь? Сколько это стоило в сравнении с литой алюминиевой клеткой? В целом китайцы молодцы, что занимаются энергоэффективными двигателями. Но рынок Китая очень конкурентный, цена тут тоже очень важна. Иногда двигатель высокого класса энергоэффективности производитель делает в пяти экземплярах, чтобы показывать на выставках, писать в каталогах красивые слова и чтобы о нем говорили в прессе. Сколько этих двигателей китайцы производят в год? Смотрим каталог серийно производимых асинхронных двигателей: 30 кВт, 2р=6 и КПД 94,2% [6]. Судя по всему, можно делать асинхронный двигатель IE4 без медного ротора. За счет чего подняли КПД? Вероятно, увеличили габариты, применили улучшенные материалы и оптимизировали конструкцию. Но как это повлияло на стоимость асинхронного двигателя в сравнении с IE3? Насколько стоимость асинхронного двигателя с медным литым ротором отличается от машины с алюминиевым литым ротором? Все зависит от того, сколько тысяч штук в год производится. Вопрос сложный.

КМ: Насколько же стоимость асинхронного двигателя с медным литым ротором отличается от машины с алюминиевой клеткой?

Андрей Кобелев, «НИПТИЭМ»

Для простоты заменяем ротор, залитый алюминием, на ротор, залитый медью. Все остальное остается без изменения. По нашим оценкам, себестоимость активных частей возрастет при этом примерно в полтора раза, а себестоимость двигателя в целом - на 20 ÷ 25%. Двигатель с медным ротором имеет энергоэффективность примерно на класс выше. Рыночная стоимость двигателя старшей (на один класс) энергоэффективности как раз выше на 20-25 %.

Сергей Попов, «ПЭМЗ»

Применение ротора с медной литой беличьей клеткой несколько улучшит надёжность и технологичность АД по сравнению с паяным и сварным ротором ввиду отсутствия риска потери контакта в местах сварки и пайки и отсутствия этих технологических операций. Однако в процессе литья могут возникнуть пористость и даже воздушные пузырьки. Поэтому необходимо применение специального оборудования, оснастки и, желательно, безлюдной технологии.

КМ: Необходима ли оптимизация конструкции асинхронного двигателя под медный литой ротор?

Андрей Кобелев, «НИПТИЭМ»

Если говорить об общепромышленном двигателе, то желательно пересмотреть форму пазов ротора с целью снижения пускового тока и увеличения пускового момента. Если речь идет о двигателе, спроектированном специально для работы от ПЧ, то изначально в таких моторах минимизируется активное и индуктивное сопротивления ротора без оглядки на пусковые свойства. Поэтому оптимизация ротора здесь не требуется.

Владимир Прахт, УрФУ

Да, но в России этим надо заниматься лет через 25. А сейчас необходимо оптимизировать асинхронный двигатель с алюминиевой беличьей клеткой, а также на уровне законодательства ввести в России запрет на установку в новую технику двигателей с эффективностью ниже класса IE3.

Сергей Попов, «ПЭМЗ»

Оптимизация конструкции АД под литой медный ротор, по нашему мнению, несколько улучшит показатели изделия. Но для этого необходимо проведение соответствующих НИР и ОКР.

КМ: Компания SEW Eurodrive сообщает о снижении скольжения в двигателях с медным ротором. Какие еще параметры изменяются в результате использования этой инновации (вес, габариты, крутящий момент, температурный режим и т.п.) и как это сказывается на их эксплуатации?

Андрей Кобелев, «НИПТИЭМ»

Часть ответов на этот вопрос дана раньше. Так, если залить ротор вместо алюминия медным сплавом (не меняя ничего более), то уменьшится активное сопротивление ротора, и, как следствие, снизится пусковой момент и возрастет пусковой ток. Энергоэффективность станет ориентировочно на 1 класс выше, уменьшится перегрев, и, следовательно, увеличится сервис-фактор. Масса мотора, естественно, возрастет.

Сергей Попов, «ПЭМЗ»

В АД с медным ротором скольжение всегда ниже, чем у аналогичных двигателей с алюминиевым ротором, КПД, соответственно, выше ввиду меньшей величины активного сопротивления его беличьей клетки.

КМ: Как влияет установка медного литого ротора на продолжительность жизненного цикла двигателя?

Андрей Кобелев, «НИПТИЭМ»

Снижение перегрева обмоток приведет к росту долговечности двигателя, и, следовательно, к увеличению продолжительности его жизненного цикла.

КМ: В каких габаритах технология литого медного ротора имеет наибольшие преимущества?

Андрей Кобелев, «НИПТИЭМ»

Поскольку в старших габаритах относительная доля потерь в стали увеличивается, лучшие качества применения ротора с медной клеткой проявляются в младших и средних габаритах 80-180 мм. Это если говорить об общепроме. В специальных исполнениях обсуждаемые машины хороши в H-compact исполнении. Напомним также, что электродвигатель для электромобиля Tesla - это асинхронный двигатель с ротором, содержащим литую медную клетку.

КМ: Первые машины с литым ротором создавались для использования в гибридной мобильной автотехнике спецназначения. Где их используют сегодня и в каких применениях они имеют наибольшие перспективы?

Владимир Прахт, УрФУ

Некоторые зарубежные производители автопогрузчиков используют литой медный ротор. Производитель электромобилей Tesla ранее делал высокоскоростной асинхронный двигатель с медным ротором. В высокоскоростных асинхронных двигателях высокая удельная мощность, там сложно отводить тепло от ротора, поэтому применение медной беличьей клетки оправдано. В высокоскоростных компрессорах, турбонаддуве и т. д. тоже широко используют асинхронный двигатель с медным ротором. Тем, кто хочет ознакомиться с темой более подробно, рекомендую прочитать статью коллег из Ноттингемского университета [7].

Список источников:

1. http://www.favi.com/en/copper-rotor-industry/
2. https://e3p.jrc.ec.europa.eu/publications/9th-international-conferenceenergy-efficiency-motor-driven-systemseemods15
3. https://www.weg.net/catalog/weg/RS/en/Electric-Motors/Low-Voltage-IEC-Motors/General-Purpose-ODP-TEFC/Cast-Iron-TEFC-General-Purpose/W22---Cast-Iron-TEFC-General-Purpose/W22-IE4/c/EU_MT_LV_IEC_3PHASE_TEFC_W22_IE4
4. https://ieeexplore.ieee.org/document/8743425
5. http://www.topmotors.ch/sites/default/files/2019-06/E_MR_Topmotors_Market_Report_2018.pdf
6. https://www.weg.net/catalog/weg/RS/en/Electric-Motors/Low-Voltage-IEC-Motors/General-Purpose-ODP-TEFC/Cast-Iron-TEFC-General-Purpose/W22---Cast-Iron-TEFC-General-Purpose/W22-IE4/W22-IE4-30-kW-6P-225S-M-3Ph-400-690-460-V-50-Hz-IC411---TEFC---B3T/p/12774310
7. https://www.mdpi.com/1996-1073/12/12/2431
8. https://w3.siemens.com/drives/global/en/motor/low-voltage-motor/efficiency-standards/ie4-super-premium-efficiency/pages/ie4-super-premium-efficiency.aspx
9. http://www.energetik-ltd.ru/statii/statii8/energoemkost_vvp_rossii