綠色制造 電機(jī)行業(yè)發(fā)展之路

岑國建 張曉斌 陳云夫

（1.寧波中大力德智能傳動(dòng)股份有限公司 寧波 315301；2.杭州漢德質(zhì)量認(rèn)證服務(wù)有限公司 杭州 313000； 3.愛爾達(dá)電氣有限公司 臺(tái)州 317500）

引言

電機(jī)是工業(yè)機(jī)器裝備中重要核心部件之一。特別是高端機(jī)床、加工中心、機(jī)械人配套過去長期依賴進(jìn)口，國內(nèi)經(jīng)過十多年發(fā)展，取得了長足進(jìn)步。目前除產(chǎn)品本身質(zhì)量與進(jìn)口知名品牌產(chǎn)品確實(shí)存在一定差距外，重要原因是產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造過程存在差距，特別是設(shè)計(jì)、研發(fā)的優(yōu)勢(shì)更不明顯[1-5]，隨著國家推廣數(shù)字化設(shè)計(jì)、綠色制造，作為工業(yè)機(jī)器裝備的重要核心部件，在國內(nèi)電機(jī)制造業(yè)推廣綠色制造顯得越來越多重要。

1 國內(nèi)外知名企業(yè)發(fā)展史

1.1 瑞士 ABB

成立于1988年的ABB集團(tuán)位于瑞典 （瑞士），是一個(gè)業(yè)務(wù)遍及全球的電氣工程集團(tuán)。ABB公司產(chǎn)品覆蓋輸配電和電氣驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)品包括電力變壓器，交流和直流高、中、低壓開關(guān)柜，電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置，工業(yè)機(jī)器人和仿真系統(tǒng)，電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、商業(yè)、發(fā)配電和智能化控制等場(chǎng)合。ABB（中國）有限公司于1995年正式成立，擁有近20 000名員工，在全國不同城市開著業(yè)務(wù)。ABB(中國)有限公司2020年的銷售額接近60億美元，中國作為ABB全球第一大市場(chǎng)。

ABB集團(tuán)重視產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)，其發(fā)明了全球第一套三相輸配電系統(tǒng)、第一臺(tái)自冷式變壓器和第一臺(tái)工業(yè)化機(jī)器人。雖然中國作為ABB全球第一大銷售市場(chǎng)，但其產(chǎn)品研究院設(shè)置在總部。

1.2 德國西門子

成立于1847年西門子公司（SIEMENS）是世界最大的機(jī)電裝備制造公司之一，總部位于德國慕尼黑。西門子公司在全球二大證券交易市場(chǎng)上市（法蘭克福證券交易所和紐約證券交易所），在全球180以上國家和地區(qū)雇用員工近500 000人，全球業(yè)務(wù)銷售收入近3 000億歐元。西門子在電氣工程和電子領(lǐng)域擁有完善的業(yè)務(wù)組合。國際性業(yè)務(wù)包括：如發(fā)電、輸配電、醫(yī)療系統(tǒng)和交通技術(shù)等。

作為世界級(jí)公司，西門子及其重視技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)品研發(fā)，公司有近50 000名設(shè)計(jì)、研發(fā)人員。在知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面，西門子在德國高居榜首，擁有近9 000項(xiàng)發(fā)明。近年來，西門子把增值服務(wù)、整體解決方案作為未來的發(fā)展方向，同時(shí)在產(chǎn)品系列化、集成化方面進(jìn)一步完善。

1.3 日本安川

有近100年歷史的日本安川電機(jī)株式會(huì)社成立于1915 年，公司重視產(chǎn)品研發(fā)，1958年發(fā)明DC伺服電機(jī)和Minertia電機(jī)，1977年 制造垂直多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人MOTOMAN-L10，1978年矢量控制變頻器產(chǎn)品化，1988年開發(fā)真空機(jī)器人，2009年開發(fā)混合動(dòng)力汽車用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，2010年大型風(fēng)力發(fā)電用系統(tǒng)電機(jī)[Enewin]產(chǎn)品化。安川公司產(chǎn)品范圍包括變頻器、伺服電機(jī)、機(jī)器人等產(chǎn)品，成為全球知名的驅(qū)動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)控制、系統(tǒng)控制的整體方案解決商。

2010年日本安川電機(jī)株式會(huì)社在中國沈陽建立首個(gè)制造基地，開始生產(chǎn)伺服馬達(dá)，目前在國內(nèi)共有5家獨(dú)資企業(yè)。

1.4 臥龍集團(tuán)

創(chuàng)立于1984年臥龍控股集團(tuán)，經(jīng)過近40年的發(fā)展，已成為中國最大的電驅(qū)動(dòng)制造商。公司2021年銷售規(guī)模近200億元，擁有4家國內(nèi)外上市公司（臥龍電氣（600580SH）、臥龍地產(chǎn)（600173SH）、臥龍-ATB（000061783AT）、臥-LJ（LIJO.SI）），目前為中國大陸不多的綜合性跨國企業(yè)集團(tuán)。

2019中國制造業(yè)企業(yè)500強(qiáng)榜單發(fā)布，臥龍控股集團(tuán)有限公司名列第227位。2020年9月16日，入選由中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)、中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)主辦的第16屆中國機(jī)械工業(yè)百強(qiáng)名單，排名第11。公司產(chǎn)品覆蓋高壓變頻器、家用電器用電機(jī)、防爆高低壓電機(jī)、新能源汽車電機(jī)、機(jī)器人等。目前成為國內(nèi)電驅(qū)動(dòng)行業(yè)龍頭，2021年全年銷售規(guī)模在全球電驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域排名第二。

隨著互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)和智能智造的高速發(fā)展，數(shù)字革命也將成為電機(jī)行業(yè)未來發(fā)展必然面對(duì)的課題。臥龍控股集團(tuán)有限公司成立“電機(jī)產(chǎn)業(yè)大腦平臺(tái)”，立足于電機(jī)及驅(qū)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，利用大數(shù)據(jù)及5G通信，采用云計(jì)算、區(qū)塊鏈等新一代數(shù)字技術(shù)與制造技術(shù)深度融合，提供數(shù)字設(shè)計(jì)、智能制造、檢驗(yàn)認(rèn)證及標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)的整體解決方案。同時(shí)在電機(jī)智能制造領(lǐng)域，臥龍控股集團(tuán)建立國內(nèi)第一的家用電器用電機(jī)和新能源汽車電機(jī)無人制造車間。

1.5 寧波中大力德

中大力德始創(chuàng)于1998年，2017年深交所A股上市。是一家集精密減速機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、微特電機(jī)、齒輪設(shè)計(jì)研發(fā)、制造、銷售、服務(wù)于一體的國家高新技術(shù)企業(yè)。公司擁有日本關(guān)東、美國芝加哥分公司，在上海成立研究院。目前員工1 800余人，注冊(cè)資本10 400萬元，近年來起草和參與國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、浙江制造團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)共18項(xiàng)，擁有國家授權(quán)專利109項(xiàng)，其中發(fā)明11項(xiàng)。主導(dǎo)產(chǎn)品為：擺線針輪精密減速器、諧波齒輪減速器、精密行星減速電機(jī)、微型電滾筒、微型交流減速電機(jī)、小型伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、機(jī)器人等，其小模數(shù)齒輪減速電機(jī)銷售規(guī)模國內(nèi)排名第一。

綜上，中國已成為國際知名電機(jī)制造企業(yè)主要集中區(qū)域，制造企業(yè)特點(diǎn)為提供電驅(qū)動(dòng)整體解決方案。未來產(chǎn)品的供應(yīng)商，不再僅僅是一個(gè)獨(dú)立的零件（部件）供應(yīng)商，而是一個(gè)環(huán)節(jié)的集成供應(yīng)商，具備資源整合解決方案的能力，電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合，同時(shí)各制造商在綠色制造方面定制差異化、個(gè)性化產(chǎn)品，避免同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)[6-12]。

2 推廣綠色制造

2.1 建立數(shù)字化研發(fā)設(shè)計(jì)平臺(tái)

綠色制造首先涉及到設(shè)計(jì)研發(fā)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)中應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，建設(shè)協(xié)同、虛擬、綠色、并行、動(dòng)態(tài)的數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，采用自上而下、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、虛擬仿真、面向全生命周期的基于大數(shù)據(jù)分析/知識(shí)工程等設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，降低開發(fā)成本，加快開發(fā)流程，縮短上市周期，實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1）設(shè)計(jì)研發(fā)首先應(yīng)符合GB/T 24256 產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)通則的規(guī)定，同時(shí)倡導(dǎo)數(shù)字化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)研發(fā)采用的手段有：

采用計(jì)算機(jī)輔助軟件，開展電機(jī)的電磁場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)；

采用計(jì)算機(jī)輔助軟件，開展電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化；

采用計(jì)算機(jī)輔助軟件，開展電機(jī)結(jié)構(gòu)重要零部件強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)；

采用計(jì)算機(jī)輔助軟件，開展電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)；

采用“潛在失效模式和后果分析（FMEA）”工具，開展產(chǎn)品設(shè)計(jì)和過程分析，并進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。

2）設(shè)計(jì)研發(fā)應(yīng)輸入的信息有：

產(chǎn)品執(zhí)行的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范（包括安全、能效、有害物質(zhì)、電磁兼容性等）；

產(chǎn)品使用環(huán)境要求（包括電源電壓及頻率、環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、海拔高度、防護(hù)等級(jí)、噪聲限值等）；

產(chǎn)品配套設(shè)備特性（包括工作制、起動(dòng)力距、過載能力、服務(wù)系數(shù)等）；

產(chǎn)品配套設(shè)備其它要求（包括安裝方式及尺寸、連接方式及尺寸、冷卻方式、絕緣等級(jí)等）。

3）設(shè)計(jì)研發(fā)時(shí)，針對(duì)電機(jī)高效節(jié)能最基本要求，以下幾方面看考慮（但不限于）：

①電磁設(shè)計(jì)方案：

合理分布定轉(zhuǎn)子齒、軛部磁密。局部磁密過大會(huì)增大激磁電流，降低電機(jī)功率因數(shù)和效率。所以，設(shè)計(jì)時(shí)保證定轉(zhuǎn)子齒、軛部磁密相近，有利于利用迭厚、匝數(shù)和線徑，優(yōu)化電機(jī)參數(shù)。

增加定子槽滿率（低壓小電動(dòng)機(jī)效果較好），盡量縮短定子繞組端部長度。

采用正弦繞組、分布繞組和雙層短距繞組，可大大降低高次諧波。

采用導(dǎo)磁性能好、厚度?。ㄈ纾?.25mm）的冷軋硅鋼片。

優(yōu)秀的流體力學(xué)和傳熱學(xué)設(shè)計(jì)（風(fēng)扇和散熱機(jī)殼）。

減小電機(jī)氣隙，有利于減小激磁電流，提高電機(jī)功率因數(shù)和效率。

減小零部件切削余量，有利于減小加工用電，減少二氧化碳排放。

②工藝改進(jìn)方案：

采用自粘式鐵芯，對(duì)定轉(zhuǎn)子鐵芯進(jìn)行退火處理，減少電渦流損耗。

使用高精度軸承和高效潤滑及潤滑劑，降低機(jī)械摩擦耗。

轉(zhuǎn)子采用離心澆鑄（大電動(dòng)機(jī)效果較好），降低轉(zhuǎn)子損耗。

轉(zhuǎn)子鋁澆鑄、定子浸漆、工件熱處理等高能耗工藝過程，采用天然氣加熱，合理安排工作時(shí)和節(jié)湊，節(jié)能并降低加工過程的二氧化碳排放。

提高機(jī)殼、端蓋、轉(zhuǎn)軸加工精度，采用磁性槽泥或磁性槽楔，降低雜散損

4）設(shè)計(jì)階段應(yīng)開展產(chǎn)品屬性指標(biāo)論證，檢驗(yàn)檢測(cè)作為其必要的手段。

2.2 采用智能制造裝備及工藝

1）電機(jī)制造主要工序流程見圖1。

圖1 電機(jī)制造工藝流程

2）制造工藝及裝備，主要體現(xiàn)在：

機(jī)殼及端蓋金加工：采用數(shù)控機(jī)床或?qū)Ｓ眉庸ぶ行募庸じ阶詣?dòng)機(jī)械人上下料，機(jī)殼加工須采用一次裝夾，機(jī)殼二端面及止口一次加工成型，端蓋的端面、止口及軸承室采用一次加工成型，軸承室采用擠壓工藝。

定轉(zhuǎn)子鐵芯加工：電機(jī)沖片優(yōu)先采用高速級(jí)進(jìn)沖工藝及裝備，高速、新能源汽車推薦電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵芯采用自粘結(jié)工藝，同時(shí)對(duì)定、轉(zhuǎn)子鐵芯采用退火處理工藝。

繞線及嵌線：采用自動(dòng)繞線機(jī)，自動(dòng)或半自動(dòng)嵌線裝備。

絕緣處理：小功率電機(jī)采用連續(xù)浸漆工藝及裝備，中小型電機(jī)采用真空浸漆工藝加烘箱干燥工藝。

轉(zhuǎn)子鑄鋁：小功率電機(jī)建議采用壓力澆鑄工藝，中小型電機(jī)采用離心澆鑄工藝。

成品裝配：電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)軸裝配采用數(shù)控中頻感應(yīng)加熱熱套工藝及流水線式裝備。

3）加工工藝的科學(xué)、合理，配置智能化加工裝備，滿足電機(jī)制造高質(zhì)量及穩(wěn)定性，上述工藝及裝備體現(xiàn)加工高效、節(jié)省能源、智能化加工的特點(diǎn)。

2.3 建立自動(dòng)化檢驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)

針對(duì)出廠檢驗(yàn)要求測(cè)試時(shí)間短，準(zhǔn)確，裝卸簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，采用微機(jī)控制自動(dòng)化出廠檢驗(yàn)設(shè)備，保證出廠成品百分之百符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

為滿足設(shè)計(jì)驗(yàn)證及型式試驗(yàn)需要，采用微機(jī)控制自動(dòng)化型式檢驗(yàn)設(shè)備，建立EMC實(shí)驗(yàn)室、噪聲消聲室及ROHS實(shí)驗(yàn)室。保證電機(jī)產(chǎn)品符合綠色高效、環(huán)境保護(hù)（無線電干擾、噪聲及有害物質(zhì)限值）要求。

電機(jī)壽命試驗(yàn)時(shí)采用能量回收裝置，節(jié)約電能50 %以上。電機(jī)壽命試驗(yàn)時(shí)，電機(jī)需長時(shí)間滿負(fù)荷工作，會(huì)大量消耗電能，并轉(zhuǎn)化為熱能，影響工作環(huán)境。能量回收裝置原理如圖2所示，市電整流后，單向送到直流小母線上，小母線上并聯(lián)1 個(gè)或多個(gè)變流裝置，控制相應(yīng)的試驗(yàn)電機(jī)進(jìn)行壽命試驗(yàn)。

圖2 試驗(yàn)裝置原理圖

每個(gè)試驗(yàn)電機(jī)聯(lián)軸一個(gè)直流發(fā)電機(jī)作為的負(fù)載，用電流控制型Boost電路控制發(fā)電機(jī)的輸出電流（負(fù)載轉(zhuǎn)矩）的大小，并將電能升壓到小母線上，從而減小從市電消耗的電能。

2.4 綠色原材料使用

電機(jī)綠色制造包含使用的主要材料符合環(huán)境保護(hù)要求，其使用的主要材料質(zhì)量特性：

整機(jī)有害物質(zhì)含量的限值應(yīng)符合歐盟RoHS指令2011/65/EU及其修訂指令（EU）2015/863的規(guī)定。

絕緣處理采用符合GB/T 1981.6電氣絕緣用漆 第 6部分：環(huán)保型水性浸漬漆。

鐵芯采用符合T/CEEIA 261-2017 高效率電動(dòng)機(jī)用冷軋無取向電工鋼帶（片）。

3 固體、液體廢物處理

1）制造商應(yīng)按照GB/T 24001《環(huán)境管理體系 要求及使用指南》要求建立體系，符合GB/T 36132《綠色工廠評(píng)價(jià)通則》的評(píng)價(jià)要求。

2）固廢

電機(jī)加工過程產(chǎn)生的硅鋼片、鐵削廢料，應(yīng)根據(jù)材料屬性，進(jìn)行分類、回收處理。其它絕緣材料廢料、油漆桶等進(jìn)行分類、統(tǒng)一送達(dá)環(huán)保處理中心。

3）廢液

電機(jī)加工過程產(chǎn)生的冷卻液、清洗液，推薦采用低溫真空濃縮，進(jìn)行中水回用及濃縮液集中處理。其它油類液體進(jìn)行分類、集中送達(dá)環(huán)保處理中心。

4 結(jié)束語

電機(jī)綠色制造涉及數(shù)字化設(shè)計(jì)、綠色制造、產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)、綠色供應(yīng)鏈管理等，在國內(nèi)外制造業(yè)已形成共識(shí)。本文重點(diǎn)介紹了電機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)要點(diǎn)、電機(jī)使用環(huán)保、無有害物質(zhì)的主要原材料、制造工藝流程控制、工藝裝備及檢驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備選擇、固體、液體廢物處理方案。本論文介紹，對(duì)于國內(nèi)電機(jī)制造同行具有一定的指導(dǎo)參考價(jià)值。