电动机产品质量共性技术问题及质量提升建议

陈斌

（中国电器科学研究院股份有限公司，广州 510663）

引言

电动机产品作为传统支柱产业，广泛应用在家电、汽车、基础建设、工业等国民经济的各个领域，其质量的高低直接影响人民生活质量及国家工业水平。据统计，全国规模以上电机企业有2 800 多家，其中98 %以上是民营企业，属于充分竞争行业[1]。电动机制造企业主要分布在广东、浙江、江苏、山东、福建、安徽等省份，能够发挥产业聚集协同优势的同时也面临同质化竞争的局面，尤其是在当前国际形势严峻及疫情散发的大环境下，电动机产品质量提升对于增强电动机制造企业竞争力更为重要。

《中国制造2025》中关于质量为先的中心思想是坚持把质量作为建设制造强国的生命线，强化企业质量主体责任，加强质量技术攻关、自主品牌培育。建设法规标准体系、质量监管体系、先进质量文化，营造诚信经营的市场环境，走以质取胜的发展道路[2]。中国作为电动机制造大国同时也是出口大国，近几年在国家政策的积极引导下，无论是质量水平还是能效水平均有所提升，但较国际先进水平还有一定差距，如何进一步提升产品质量是电动机制造企业面临的新挑战。

综上，电动机产品质量提升无论是对于加强制造企业本身竞争力还是促进工业水平整体提升都具有十分重要的意义，本文归纳总结了影响电动机产品质量的关键共性技术问题，并对电动机行业整体质量提升给出了具体建议。

1 电动机产品质量共性技术问题

1.1 可靠性

可靠性是指产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力，是评价电动机产品质量的重要指标之一。电动机的质量是电机的一组固有特性满足用户要求的能力，包括性能特性、专门特性、及时性、适应性等，其中专门特性指用户无法直接辨别的特性，可靠性即是专门特性之一，是电机性能随时间的保持能力[3]。不同种类的电动机或不同的应用场景下电动机的可靠性水平也不尽相同，典型的有工业用电机、家用电器电机、电动汽车驱动电机、牵引电机等等。

一般工业电机的使用寿命可达十年以上，经过长期使用后，其性能难免有所下降，但必须在可接受范围之内，否则极容易引起电机故障甚至因堵转而烧毁。工业电机主要以三相交流异步电动机为主，电动机结构较为简单，80%以上的故障出现在绕组和轴承上[4]。绕组故障主要是因高温引起的绝缘老化，一方面与电动机固有的绝缘设计有关，另一方面随着变频技术的发展应用，逆变器的高频脉冲输出也容易引起绝缘失效[5]。

对于一些控制类电机，由于运行中自身的工况、谐波、温度、机械等周围各种环境因素，且应对寿命周期中各种复杂的情况，需要绝缘系统有足够的可靠性，故障率较高的部件通常为电机轴承、电机绝缘系统。此外，布满电子元件的控制模块也很容易成为薄弱环节，由于故障或失效引起危险，常见的故障原因有元器件虚焊假焊、高温状态下参数漂移、连接线束防护不当、焊接面受污染等[6]。新能源汽车用驱动电机属于典型的控制类电机，由于功率较高，其逆变器一般选择IGBT，特别是在引入800 V 电驱系统后，在高压、大电流、高速三方面是其他功率器件不能比拟的，工作环境较普通工业场景更为苛刻，需要在高环境温度及机械冲击下，按照特定的汽车驱动工况，为电机持续动力输出提供保障。不同于工业应用中电机拖动，此类电机工况也更复杂，应对不同路况时，需要在电机特性范围内进行频繁的工作点切换，导致通过IGBT 的电流、电压也非常量，需要IGBT 模块在高温、电流、电压反复冲击下可靠运行，在驱动控制电路中是一个薄弱环节[7]。

1.2 能效指标

电动机作为国民工业的基础，其耗电量占据了全社会发电量的（60 ～70）%，其能效指标的提升对于实现双碳目标具有重要作用。在工业和信息化部、市场监督管理总局联合印发的《电机能效提升计划（2021-2023年）》中也提出了到2023 年，高效节能电机年产量达到1.7亿千瓦，在役高效节能电机占比达到20 %以上的主要目标[8]。

我国于2 0 0 2 年首次发布了电动机能效标准GB 18613-2002《中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价值》[9]，随后又发布了GB 25958-2010《小功率电动机能效限定值及能效等级》[10]及GB 30253-2013《永磁同步电动机能效限定值及能效等级》[11]。我国电动机产品能效标识制度到2008 年才开始实施，虽然起步相对较晚，但经过三次的标准升级迭代，目前三相异步电动机执行的最新准入标准已升级为GB 18613-2020《电动机能效限定值及能效等级》[12]，其效率限值已与IEC 水平接轨，甚至在标准中率先提出了五类小功率电动机的限值要求。但同时也要看到标准水平的提升与产品在市场上的实际占有率还有一定的差距，且随着能效提高的时间表推移，普通三相异步电动机能效提升必定面临进一步提升的瓶颈。

目前已纳入能效标准要求的其他两类电动机产品，永磁同步电动机整体占比还比较小，而量大面广的小功率电动机一直未纳入能效标识制度，因此高效节能电机品种的单一性将是制约我国能效水平提升的一个重要因素。随着智能家居、新能源以及机器人领域的不断发展，各类控制电机的应用越来越广泛，在某些领域逐渐替代了传统电机，相应的能效标准还需要不断配套，来刺激电机效率的持续提升。另外电机在提升效率的同时也要考虑产品的绿色设计要求，满足产品在整个生命周期中的排放要求。

1.3 电磁兼容性

我国电磁兼容性强制标准于2003 年5 月1 日正式开始实施，要求标准范围内的相关产品必须通过规定的技术要求。电磁兼容性（EMC）涉及两个方面：电磁干扰（EMI）和电磁抗扰度（EMS）。电动机作为广泛应用的基础零部件，在旋转电机基础标准及安全标准中均对电磁兼容提出了要求， GB/T 755-2019《旋转电机定额和性能》（IEC 60034-1:2017，IDT）标准中提出“EMC的特殊要求适用于额定电压交流不超过1 000 V、直流不超过1 500 V 及在居民区、商业区或工业环境中运行的旋转电机”[13]，GB/T 12350-2022《小功率电动机的安全要求》[14]标准中提出“带换向器的电动机以及带有电子线路的电动机可能会引起连续骚扰，应进行电磁兼容性测试”[15]。

标准考虑到普通交流电机如三相异步电机、电容运转电机没有电子线路，对此类电机未做电磁兼容要求，但随着电动汽车、机器人技术、绿色智能家电的等新兴产业的蓬勃发展，电动汽车驱动电机、伺服电机、配套家电的直流无刷电机等应用逐渐广泛应用起来，这些电机在设计时，一方面要考虑自身抗扰能力，保证电机各项性能稳定，另一方面还要考虑对配套设备的影响。目前与电机配套的电磁干扰标准体系并不完整，电机的电磁兼容性能主要依赖于整体设备测试评估的方式，法规层面也未单独考核评价电机，这使得电机行业对电磁兼容性的重视度整体不高，存在较大的质量隐患。

1.4 环境适应性

电动机产品大量直接使用在各种严酷的环境如:湿热、户外、化学腐蚀介质、高温、粉尘、矿井、水下、卤水、油等条件,部分特殊的电机如驱动电机系统还可能处于多水、多灰尘、振动冲击大、温湿度大等恶劣环境， 因此应用在此类环境中的电动机产品如果在电气性能、绝缘结构、表面处理、导电件和紧固件方面没有进行特殊处理的话，比较容易出现进水、尘或者锈蚀等情况，如图1 所示，严重时引发触电及着火危险。为了提高电动机产品的防潮性能，部分产品会考虑在绕组端部加装防潮加热带，特别是在一些高湿度的环境下，在电动机停机后启动该装置，使绕组温度高出环境温度约5 ℃，从而阻断潮气的进入达到防潮的目的[13]。

图1 电动机锈蚀

在一定程度上，电动机产品的环境适应性和可靠性是息息相关的，贯穿于电机设计、生产制造的全过程，电动机在一定的环境条件下使用的可靠性需要用环境适应性技术来验证。常见的考核要求如GB/T 4942《旋转电机整体结构的防护等级(IP 代码) 分级》[16]规定的电动机防护等级要求，GB/T 2423.17 《电工电子产品环境试验第2 部分：试验方法试验Ka：盐雾》[17]规定的盐雾试验要求，GB/T 2423.1 《电工电子产品环境试验第2 部分：试验方法 试验A：低温》[18]以及GB/T 2423.2 《电工电子产品环境试验第2 部分：试验方法 试验B：高温》[19]规定的高低温试验要求。

2 质量提升建议

2.1 加强标准体系建设

国内电动机技术标准主要分为安全标准、基础标准、技术规范和试验方法四类，不同电动机产品均有其对应的标准或标准体系。对电机企业来说，除了关注技术标准外，还应重视管理标准、工作标准，且标准应覆盖到来料检验、生产制造及运输销售等各个环节，也就是说要建立完整的标准化体系。国内电动机标准化技术委员会按不同产品领域归属不同管理单位，企业可按自身生产的电动机类型积极参与各管理单位的标准制修订工作，加强对标准化工作的学习，并将其转化为企业内部标准，甚至在要求上更高，对新产品开发、优化生产流程、提升产品质量、保证产品一致性等方面均能发挥重要作用。

对于质量评价机构来说，需要整合行业资源，组织推行行业技术交流的各项活动，针对行业中具备共性的技术问题提出解决方案，通过不断的实践制定出符合行业技术水平的标准体系。这就要求机构不仅要立足于国内发展现状，还要放眼国际，加强国际标准化工作的接轨。如各国针对电机能效都制定了相应标准，我们需要研究国际上先进的标准，制定适合我国的能效要求，通过标准的约束作用来刺激一系列高效技术的发展，从而推动整个电机行业的发展，实现标准和产品与国际化的双重接轨。另外，我国标准种类比较多，相似的一系列产品分别制定了不同的标准，检索使用不太方便，而国外多采用相似产品进行归类，讲技术条件和测试要求整合到同一份标准中，使得整个电机标准结构变的简单、合理并易于检索。电机领域也渐渐形成了这种标准体系改革的意识，比如在GB/T 5171 标准体系中，未来将采用同一标准号，将不同的产品归类到这个标准结构下，形成系列标准。

2.2 建立起性能指标评价体系

目前的电动机产品认证基本针对产品的安全、能效要求为主，对于综合性能方面的评价多为采购方或者项目验收要求，特别是在工业4.0 的推动作用下，制造企业开始向着生产智能化、数字化的方向发展，传统的安全检测对于一个产品的评估是不完整的，为鼓励企业生产质量过硬产品，应建立起相应的性能指标评价体系，针对产品特点制定评价标准或规范，由相应的工业产品质量控制和技术评价实验室进行评价，必要时可借助认证机构的力量推出优秀产品或引领产品证书。

2.3 成立电机工程研发中心

目前我国成立的各类国家工程研究中心已有120多个，涉及电气、电子、软件、生物技术、食品、制药等众多行业。电机作为国民经济发展的动力基础之一，有必要成立相应的国家工程研究中心，把社会上分散的资源组织起来，如较强实力的质量评价机构、研究开发和综合实力较高的高校和科研机构、行业中优秀的企业等技术实体。电机工程中心可以集质量评价、电机技术研究、产品研发和生产与一体，有利于电机技术创新和成果的转化，培育、提高自主创新能力，通过产、学、研的结合体，搭建产业与科研之间的“桥梁”，就电机产品新材料、新工艺开展领先性研究，促进产业技术进步和核心竞争能力的提高。这样有利于产品实现以市场为导向，把握技术发展趋势，通过工程研究中心这个平台实现技术的的快速转化和扩散，持续不断的为规模化生产提供成熟的先进技术、工艺和质量评价体系保障，并不断为行业培养工程技术研究与管理的高层次人才。

2.4 建立绝缘结构互换体系

低压异步电机的烧毁约70 %都是由绝缘损坏造成的，由此可见绝缘结构的重要性，而电机绝缘结构性能评价是目前电动机产品认证体系中并未推广开来的。纵观UL 认证体系可发现，绝缘材料认证是其各项产品认证开展的基础，只有夯实的基础才能从根本上保证产品的安全性，而国内认证制度一开始就重点关注整机产品，对于材料的要求一直未提上议事日程，缺乏基本的绝缘材料库，当然和认证成本、时限有着一定的关联。目前，各认证机构都意识到这个问题，也推出了各自的自愿性认证规则，但响应者寥寥。需要从政策层面上提高对绝缘体系的关注度，鼓励厂商对产品的绝缘结构进行备案、评价，建立起基础的绝缘材料数据库以及相应的绝缘结构互换体系。

3 结束语

我国电动机行业经过几十年的发展，其规模已跃居全球前列，也涌现出诸如卧龙电气、大洋电机、汇川技术等一批优秀的企业，但总体来说还是以生产制造为主，较国外先进企业在研发设计、制造工艺以及品牌影响力等方面还有一定的差距。从历年电动机国家产品监督抽查的结果来看，合格率在90 %上下，质量相对稳定，但值得注意的是抽查产品普遍以小功率电动机和中小型电动机为主，且抽查项目以温升、标志、接地、非正常等安全项目居多，文中提到的可靠性、环境适应性以及电磁兼容要求往往较少涉及，从产品长期服役角度来看，这些方面也是影响电动机产品质量的关键。电动机产品质量提升工作任重道远，需要进一步研究影响产品质量的共性技术问题，加强标准体系建设并提升检测评价、评估能力，成立综合性工程技术中心以提供技术支撑，针对绝缘评价方面的薄弱环节构建基础数据库及完善管理制度。