如何提高齿轮电机的效率？

随着人们对日益严重的能源危机的担心，电机效率已经成为重要的、适时的话题。这是因为，电机用掉了美国国内生产用电量的63%～70%，占美国总电能消耗量的23%。 
但是，到目前为止，大多数用于改善电机效率的工作都只集中在电机总耗电量的10%左右。原始设备制造商（oem）机械设计人员可以为能源节约做出独特的贡献，方法是谨慎地选择和使用合适的新型电机、、齿轮电机以及驾驶装置。

为效率立法
《1992能源政策法案》（epact）和《2007能源独立和安全法案》（eisa）针对提高电机效率新水平方面的立法进行了大量的工作。有理由相信，这些工作主要针对的是整马力（大于1马力，即746w）电机。 

找出问题所在
美国环保署（epa）的一项研究表明，电机所消耗的总电能中的80%以上来自于具有20马力或更高马力值的电机。但是，这些大功率电机在所有启用的电机中所占份额不足1%，据估计，功率在1～19马力范围内的电机构成了所有启用的电机中另外的9%。 
其余的90%是由无处不在的数十亿台分马力（fhp，即小于1马力）电机所构成的，这些电机包括：排气器、制冰机、真空吸尘器、高炉鼓风机、车库门自动启闭装置以及数以千计的其他消费类电器。在成千上万种商业和工业电器中，还有数百万的分马力电机，它们涉及到抽吸、分发、制冷、输送、搅拌以及自动化的各个方面。 
对分马力电机的研究让我们认识到，一般而言，电机的效率会随着其尺寸的增加而增加。同时，随着电机额定马力值的增加，一般效率电机和超高效率电机之间的差别将会减小。

提高分马力电机的效率
不过，在分马力电机中，标称效率要比这个数值低得多，这是因为它们的尺寸太小，无法使用整马力电机中用来增进效率的技术：包含更多的铜或其他方法。此外，传统的分马力电机的效率与经过改善之后的效率之间的差别可能会高达30%或者更多。 
因此，即使是功率很小的电机，也可能会节省大量的能量。例如，如果在加利福尼亚州或伊利诺伊州使用一个效率为50%的1/8马力（93w）齿轮电机，假设费率是10美分/kwh，那么每年的成本是164.25美元。比较一下，如果能源效率可以达到80%，那么工作成本将为102.20美元，用户在这台机器的生命周期内每年能够节省62.05美元。 

永磁直流电机与固定分相电容式电机
在有些情况下，通过使用永磁直流（pmdc）电机代替固定分相电容式（psc）交流电机能够实现效率的显著改善。psc电机的最大效率可能要更高一些，但是它们的效率在工作负载点处可能会低得多。 

三相胜过单相
三相电机的效率通常要高于单相电机。例如，单相1/20马力（37w）电机的效率可能是53%，而三相电机的效率则可以达到64%。 
除了效率更高之外，三相电机也更加可靠。单相电机不能自启动。因此，人们开发了多种不同的启动机制，这些启动机制会增加成本、零件数量，而且可能是导致电机寿命无法最大化的弱点所在。 
那么，既然三相电机如此之好，为什么没有完全替代单相电机呢？这是因为有许多工业设备装置中没有提供三相电源。

使用变频器
一种合理的解决方案是使用变频器将115或230v的单相输入电压转换为频率从0～120hz可调的230v三相输出，作为三相电机的电源。得益于成本不断降低的电子产品，变频器（vfd）变得体积更小，功能更多，而且还提供了额外功能，丝毫不逊色于低成本的直流调速器。 
根据arc advisory group的数据，在2007年，小功率vfd的全球市场总值超过70亿美元，而且预计到2012年将增长到近110亿美元。虽然经济比较疲软，但小功率交流驱动器的市场需求仍然很强劲，这是因为工业基础设施姗姗来迟的现代化终于开始起步了。 
据美国能源部估计，使用vfd来控制速率，所节省的能源将高达电机总耗电量的18%。在电扇、鼓风机以及抽吸应用中，vfd可以节省大量的能源。 
与使用机械系统来减少流量相比，在vfd中安装压力传感器能够更精确高效地调节流量。在风扇，鼓风机或抽吸应用中使用vfd，当工作在额定速率的80%时，能量消耗可以降低一半。 
对分马力电机而言，vfd要比简单的直流调速器稍微贵一些。但是它们提供了许多新的功能，比如通过软启动来降低对机械部件的震动并延长设备的使用寿命。 

不要忘记传动效率
为了最大化齿轮电机系统的总体效率，要避免低的传动效率抵消电机效率的增加。虽然直角蜗轮减速器是一种空间利用率很高的方案，但是它们的效率只有50%或更低，而平行轴减速器中的正齿轮和斜齿轮的效率通常可以达到98%左右。