工作中經常解釋與效率有關的概念和規律，索性專門開一篇把從頭到尾捋清它。面向的人群較廣，公眾號編輯公式也麻煩，所以本期就是文字加極少張圖表了。

效率是電機輸出的軸功率與輸入的電功率之比，是評價電機的重要指標之一。在氣候變化、雙碳目標的大背景下，提升效率是電機行業永恒的追求。

電功率是有功功率，所以效率高就意味著節能。功率因數影響的是視在功率，與節能沒有直接的關系。

輸入功率與輸出功率之差是損耗，損耗越小效率越高。

工頻運行的三相異步電動機，損耗通?？煞譃槲宀糠郑憾ㄗ鱼~耗、定子鐵耗、轉子銅(鋁)耗、 風摩(機械)耗和雜散損耗。

定子銅耗與定子電阻、電流有關；定子鐵耗通常包含空載雜散損耗，與硅鋼片材質、疊壓工藝、磁通密度和電源頻率有關；轉子銅耗與電機的輸出功率和轉差率成正比；風摩耗由軸承摩擦和旋轉件的空氣阻力產生，與電機轉速有關；雜散損耗一般特指負載雜散損耗，與輸出轉矩成正比，也與電機的電磁設計、工藝方法和制造水平有關?？倎淼恼f，定子銅耗和鐵耗是電機損耗的主要部分。

可以看出，電機做好后電壓額定時，定子鐵耗和風摩耗與負載大小(輸出功率)幾乎無關，兩者之和稱為恒定損耗；定子銅耗、轉子銅耗和雜散損耗隨負載變化而變化，是可變損耗。顯然，負載越大可變損耗隨之增加。好的設計，是電機在額定負載時恒定損耗約等于可變損耗，這時電機有較高的效率。

提高電機的效率，無非是從以上方面入手：加大體積，既可以增加電磁線截面積減小電阻，也可以增加鐵心用量減小磁通密度，還可以降低電機溫升選用小風扇以降低風摩耗；選用高牌號的硅鋼片降低鐵心單位重量的鐵耗；選用鑄銅或銅條轉子減小轉差率降低轉子銅耗；改進和提高工藝水平降低負載雜散損耗。

如上圖，在額定電壓和額定頻率下，電機的效率與輸出功率之間的關系可用效率曲線表示。通常額定負載附近效率最高，隨著負載的減小，效率逐漸降低。如果電機的額定效率足夠高，那么效率隨負載降低的程度就比較慢(若額定效率是99%，那么50%負載時效率一定大于98%，10%負載時效率一定大于90%)，原因請讀者自行分析。

實際上，電機廠家了解到，用戶選擇電機時留有一定的裕量，實際使用功率往往達不到額定功率。這樣設計時會把最高效率點設置在75%負載附近，節能效果更好。如果運行時負載波動較大，用戶可能更關心不同負載點效率的平均值，這其實是要求恒定損耗小一些。

工頻供電的永磁電機，基本適用異步電機的分析方法，但有兩點不同：第一無轉子銅耗（永磁體渦流損耗很?。?，綜合其它因素后永磁電機的效率較異步電機高不少；第二定子鐵耗和風摩耗不易分離（停電后轉子旋轉仍然有鐵耗存在，所以永磁電機停機較快）。

以上分析的是單臺電機的效率，接下來討論相同電磁負荷和電磁材料、相似結構和工藝制造水平時，不同規格電機之間的效率比較。為了突出主要矛盾，我們以定子銅耗和定子鐵耗代表損耗。

額定功率與額定效率之間的關系。額定功率3kW的電機，和額定功率300kW的電機相比，哪個效率高？我們都知道是后者。這是因為，電機的額定功率與電機的體積的4/3次方成正比，而損耗與體積成正比，即功率增加的比損耗快，所以功率越大效率越高。

額定轉速與額定效率之間的關系。我們知道電機常數，即電壓、功率都相同時，轉速越低，電機的體積越大。那么同樣是90kW，額定轉速150轉的電機，和額定轉速是1500轉的電機，哪個效率高呢？因為150轉的電機體積遠大于1500轉的，而電磁負荷相當嘛，所以150轉的電機損耗也遠大于1500轉的。所以轉速越低，效率也越低。當然也不是轉速越高效率越高，通常來講額定轉速1500rpm的電機效率是最高的。這是因為第一高速電機不可避免的要提高額定頻率，而即使磁密不變，頻率越高鐵耗越大；第二轉速越高，風摩耗越突出。可能有讀者要問，那為什么工頻下2極電機(3000轉)的效率低于4極電機(1500轉)呢？除了3000轉時風摩耗更大外，主要是因為2極電機的材料利用率偏低，它每極下的定子軛部面積大所以鐵耗大，線圈端部連接線長所以銅耗大。

額定電壓與額定效率之間的關系。轉速、功率都相同的話，額定電壓380V的效率高，還是額定電壓3300V的效率高？當然兩種電機的制造工藝不同，有些不太好比較。不過我認為總的來說，低壓電機的效率會高一些。因為電壓越高，絕緣材料用量越多，降低了電磁材料的利用率，使得損耗會大一些。

以上，看圖說話。下圖IE4電機的效率指標，可以很明顯的看出相關規律。這個標準的額定電壓是380/660V，高壓電機的效率標準請各位自行查閱。

其它方面，比如防護型式，冷卻方式對效率影響，都不太大，這里不展開了。

GB18613是強制性的國家標準，規定了1000V以下工頻電源供電的封閉式異步電機的能效限定值。標準分3個能效等級，1級最高3級最低，國內使用的電機最低要達到3級能效。

電機用于出口時，可參考IEC60034-30-1確定能效等級，國標GB32891.2是該標準的翻譯版。實際上，GB18613中三相異步電機的效率指標就是參考的IEC標準，GB18613中的1、2、3級能效分別對應IEC60034-30-1中的IE5、IE4和IE3。

其它如高壓電機、自起動永磁電機、變極電機、短時或周期工作制電機及其它特殊用途的電機均有相應的標準，可能不同應用行業也有各自的標準，這些大都是推薦性的，與用戶明確引用條款即可。

接下來討論變速的情況。這里的變速是指變頻調速，變極調速和轉子串電阻調速應用范圍受限，且有被變頻調速取代的趨勢。為簡單計，先討論額定轉速以下，恒轉矩時效率隨轉速的變化情況。

轉速下降時，轉矩不變，電流和磁密都不變，但鐵耗會隨頻率的1.3次方降低；定子銅耗是否改變取決于定子的溫度情況（當然頻率對交流電阻也有一點影響），若冷卻方式與轉速無關，那么定子銅耗幾乎不變；異步電機的轉差率變化不大所以轉子銅耗隨輸出功率成比例變??；風摩耗的變化與冷卻方式密切相關，如果電機沒有自冷風扇，風摩耗很小，可以忽略：綜合評價為效率是緩慢下降的。

額定轉速以上一段范圍內，電機可以恒功率運行。異步電機的電流變化不大，永磁電機的定子銅耗會大一些，因為需要增加直軸電流以平衡反電勢；磁場變弱轉差率加大所以異步電機的轉子銅耗會增加；受磁密降低但是頻率增加的影響，鐵耗會稍小一點；風摩耗的占比較?。壕C合來看轉速增加的相當范圍內電機是可以處于高效區的。

前已討論轉速不變負載減小時效率的變化規律，這樣如果以橫軸表示轉速縱軸轉矩，恒轉矩-恒功率曲線以下的效率變化情況就可以大概明確了。電動汽車主驅電機通常還要既在恒功率點的左側超速降功率運行，又要在恒轉矩-恒功率曲線以上做短時運行，上限直至每個轉速時的峰值轉矩。把整個運行區域內效率相同的點連起來，形成若干條像海拔等高線一樣的地形圖，這就是電機的效率MAP圖。

顯然，額定點附近的效率應該是比較高的，越靠近坐標軸或峰值轉矩線，效率越低。內業有個“雙85”的普遍要求，即工作區域內，效率85%以上的區域要上到總區域面積的85%以上。這種電機的定制化程度較高，我還沒見過有具體要求的標準。

總之，效率曲線的只有負載轉矩一個自變量，它是一維曲線；效率MAP圖有轉矩、轉速兩個自變量，它是二維平面。

以上，尚未考慮變頻器供電的影響。眾所周知，變頻器的供電電壓是高脈沖的矩形波，并不是理想的正弦波。所以與工頻電源供電相比，電機的損耗會增加，增加的損耗稱為附加諧波損耗。附加諧波損耗的大小與變頻器的設置有關。根據IEC60034-30-2(對應國標GB32891.2)的建議，若電機額定頻率為50Hz或60Hz，變頻器為兩電平，附加諧波損耗為基本損耗的15%（開關頻率4K）或25%（開關頻率2K）。具體計算方法可參考之前寫過的《變頻器載波頻率對電機效率的影響》。

實際上附加諧波損耗的成分非常復雜，對電機的影響是多方面的，具體計算已超出本文的范圍，可以發好幾篇論文了。簡而言之變頻器的載頻比越高，電壓波形越接近正弦波，附加諧波損耗越小。如果轉速增加而載頻不變，那么高頻區的附加諧波損耗要大一些。也可以從電機設計的角度減小該損耗，這正是現在研究的熱門題目。

變速電機的能效標準就是剛才提到的IEC60034-30-2，對應國標GB32891.2。需要指出的是，IEC60034-30系列標準覆蓋范圍更廣，它既包括異步電機，也包括永磁電機和磁阻電機，概括起來就是交流電動機；而且不論電機類型，功率和轉速一定后就對應相應等級的效率指標。而GB18613主要覆蓋的是異步電動機及特定使用場合的無刷直流電動機，且電機類型不同，對應的能效指標也不同。其它具體內容就不一一介紹了。

最后引用IEC標準中的一句話作為本文的結束語。僅僅有高效率的電機不一定會組成高效率的電力傳動系統，用戶應根據實際的負載運行點和工作時間來選擇合適的效率等級的電機。