США и ЕС внедряют новые стандарты минимальной эффективности (MEPS) для электродвигателей — вот краткое описание стандартов и того, как САПР двигателей следующего поколения может обеспечить соответствие требованиям.

Брайан Кейси
исполнительный директор
Технология статора печатной платы ECM

Мировые производители электроники сталкиваются с постоянной проблемой. То есть, как сделать двигатели в их устройствах с электрическим приводом соответствующими новым стандартам минимальной эффективности (MEPS) на важнейших рынках. Двумя крупнейшими региональными экономическими блоками являются США и Европейский союз. Стремясь к экономии энергии, руководящие органы крупнейшей экономики мира и крупнейшей зоны свободной торговли продолжают разрабатывать рекомендации по проектированию для повышения эффективности электродвигателей.

Это в значительной степени обусловлено тем фактом, что устаревшие системы электродвигателей приводят к более 40 процентов мирового потребления электроэнергии.

Каковы ключевые детали рамочных стандартов минимальной энергетической эффективности США и ЕС? Как компании могут разрабатывать продукты, соответствующие этим правилам для электродвигателей MEPS? Здесь мы рассмотрим разбивку на четыре части:

Правила экодизайна ЕС
Чтобы начать в ЕС, в 2019 году Европейский парламент принят закон об экодизайне это создало основу для поэтапного повышения требований к эффективности электродвигателей. Эти новые правила Европарламента имеют широкую сферу применения — они охватывают двигатели мощностью от 0,12 кВт до 1000 кВт — и применяются ко всему, от бытовой техники до промышленного кондиционирования воздуха.

Меры ЕС в области экодизайна также основываются на Международная электрохимическая комиссия Классы эффективности (IEC), которые варьируются от IE1 (стандартная эффективность) до IE4 (эффективность Супер-премиум).

В июле 2023 года ЕС стал первым регионом в мире, который сделал международный класс эффективности IE4 обязательным для некоторых категорий электродвигателей.

Инициативы Европейской комиссии по проектированию двигателей также соответствуют ее системе энергетической маркировки для электроники и бытовой техники, которая устанавливает сравнительную шкалу от A (наиболее эффективная) до G (наименее эффективная). В рамках своего законодательства об экодизайне в области энергетики ЕС будет периодически изменять размер этих этикеток, чтобы исключить с рынка устройства с наихудшими характеристиками.

В целом Европейский союз ожидает, что эта система позволит сократить выбросы углекислого газа на 40 миллионов тонн в год. Кроме того, ЕС прогнозирует, что его правила в области экодизайна двигателей позволят европейским домохозяйствам сэкономить 22 миллиарда долларов на расходах на электроэнергию, обеспечив ежегодную экономию энергии на 110 ТВтч к 2030 году. Последнее эквивалентно текущему годовому потреблению электроэнергии в Нидерландах.

Если рассматривать это в контексте, то, просто установив более эффективные двигатели, ЕС может сэкономить столько энергии, сколько в настоящее время потребляет за год его седьмая по величине экономика.

ДЕПУТАТЫ Европарламента ОТ США
Подобно своему торговому партнеру в ЕС, США усердно работали над собственными нормами эффективности электродвигателей, уделяя основное внимание повышению энергоэффективности и сокращению выбросов углекислого газа. Эти правила распространяются на широкий спектр двигателей, от небольших бытовых приборов до более крупного промышленного оборудования.

Хотя нормативные акты США не полностью идентичны законодательству ЕС в области экодизайна, у них есть сходство в подходе к продвижению энергоэффективных двигателей. Правительство США первым в мире установило минимальные стандарты эффективности для двигателей и активно сотрудничало с международными организациями, такими как МЭК, для принятия стандартов эффективности, соответствующих лучшим мировым практикам.

В 2007 году США повысили свои минимальные стандарты эффективности до уровня, эквивалентного IE3 (Premium Efficiency). В 2015 году США расширили эту сферу применения, установив требования стандартов IE3 для небольших многофазных двигателей мощностью от 0,18 кВт до 2,2 кВт и стандартов IE2 для однофазных двигателей.

В мае 2023 года Министерство энергетики США (Министерство энергетики) объявило о новых инициативах в области энергоэффективности, которые конкретно касаются электродвигателей и бытовой техники. Предлагаемые стандарты для новых посудомоечных машин и автоматов по продаже напитков, наряду с окончательными стандартами для электродвигателей, являются частью утвержденных Конгрессом мер, направленных на экономию энергии и воды при одновременном сокращении вредных выбросов углекислого газа.

Хотя точные требования к конструкции пока не разглашаются, новые стандарты Министерства энергетики на электродвигатели вступят в силу в 2027 году.

Министерство энергетики прогнозирует, что эти предстоящие руководящие принципы принесут значительные выгоды. Ожидается, что в течение следующих 30 лет американские потребители сэкономят на счетах за коммунальные услуги до 8,8 миллиарда долларов, а выбросы углекислого газа, по прогнозам, сократятся примерно на 91,7 миллиона метрических тонн. Это сокращение эквивалентно ежегодным выбросам примерно 20 миллионов бензиновых автомобилей.

Эти инициативы представляют собой последние усилия Министерства энергетики по повышению эффективности бытовой техники в соответствии с директивами Конгресса США, одновременно решая проблему климатического кризиса и обеспечивая экономию средств для американских семей и предприятий.

Депутаты Европарламента от США и ЕС: заметные различия
Автомобильные правила Европарламента в ЕС и США имеют некоторые заметные различия. В ЕС правила устанавливаются в соответствии с законодательством об экодизайне, ориентируясь на широкий спектр электродвигателей мощностью от 0,12 кВт до 1000 кВт и руководствуясь классами эффективности IEC от IE1 до IE4. К концу 2023 года ЕС сделает класс эффективности IE4 обязательным для определенных категорий двигателей. Кроме того, инициативы ЕС в области проектирования двигателей дополняются системой маркировки энергопотребления, позволяющей оценивать устройства от A (наиболее эффективные) до G (наименее эффективные) и периодически исключать продукты с низкими эксплуатационными характеристиками.

С другой стороны, США придерживаются своих собственных стандартов эффективности двигателей, повысив их в 2007 году до уровня, эквивалентного IE3. Правила США охватывают широкий спектр двигателей и были расширены за счет включения в них многофазных и однофазных двигателей меньшего размера. В то время как США признают национальные и канадские стандарты тестирования, в настоящее время рассматривается вопрос о принятии стандарта тестирования IEC.

Хотя сроки выполнения мандатов депутатов Европарламента по электромоторам в обоих регионах различаются — ЕС вводит в действие свои последние директивы быстрее, чем США, — эти рынки имеют общую тенденцию. Соединенные Штаты и Европейский Союз находятся на пути дальнейшего ужесточения требований к эффективности электродвигателей в рамках своей энергетической политики 21 века.

САПР двигателя для соответствия требованиям MEPS
Когда дело доходит до того, как производители электроники, которые продают в США и ЕС, переоборудуют сотни продуктовых линеек с электродвигателями в соответствии с требованиями Европарламента, все еще остается много вопросов без ответов. Очевидно, что регулирующие органы на обоих рынках обязаны предоставить участникам отрасли более подробную информацию о технических требованиях, тестировании и правоприменении. Ожидайте, что эти подробности будут представлены в ближайшее время.

В то же время, в качестве общего момента, первый ответ на вопрос о соответствии требованиям Европарламента по электромоторам в США и ЕС заключается в признании того, что прошлые практики не могут обеспечить будущее.

Основной движущей силой этих нормативных инициатив является повышение эффективности, и традиционные, готовые к использованию электродвигатели не справляются с этой задачей. Обычные машины, такие как машины переменного и постоянного тока и герметичные агрегаты, редко достигают КПД выше 75 процентов. Эти классы электродвигателей громоздки и шумны, требуют большого количества сырья для производства, а также являются более дорогостоящими и сложными в изготовлении и утилизации.

Продолжающаяся зависимость от этой устаревшей технологии является основной причиной того, что системы с электродвигателями потребляют 50 процентов годовой выработки электроэнергии в ЕС и примерно 40 процентов в США.

Соответствие требованиям MEPS потребует способности создавать более производительные электродвигатели, разработанные по индивидуальному заказу, которые могут производиться экологически чистым способом. В случае технологии статора печатной платы ECM подход к удовлетворению этой потребности сводится к двум вещам: передовой технологии и САПР.

С технической точки зрения это означает разработку электродвигателей на печатных платах или статорах печатных плат. Статор на печатной плате заменяет медные обмотки, используемые в обычных электрических машинах, ультратонким статором.

Электродвигатели, оснащенные статорами на печатных платах, имеют меньшие размеры, на 70% легче, достигают КПД более 90% и потребляют на 80% меньше сырья, чем обычные машины. ECM объединяет эту технологию разработки статоров печатных плат со своей САПР-платформой PrintStator. PrintStator позволяет разработчикам двигателей вводить точные технические характеристики и размеры для создания индивидуальных решений для электродвигателей, интегрированных с запатентованной технологией статора печатных плат.

Например, если европейскому производителю систем кондиционирования требуется электродвигатель вентилятора мощностью 1,62 л.с., который обеспечивает КПД 94%, соответствует точному форм-фактору и требованиям Европарламента, его можно спроектировать с помощью PrintStator.

Чтобы более широко использовать эти преимущества, ECM предлагает PrintStator в качестве программного обеспечения в качестве сервисного продукта. Это позволяет разработчикам в США и ЕС печатать статорные двигатели на заказ на печатных платах в любой точке мира на существующих мощностях по производству печатных плат.

В настоящее время ECM работает с несколькими крупными мировыми компаниями-производителями над внедрением решений для печатных плат, разработанных с помощью PrintStator, в коммерческие и промышленные устройства, соответствующие требованиям стандартов США и ЕС для двигателей. Следуя по этому пути, мировые производители электроники могут добиться значительного повышения энергоэффективности, одновременно быстрее создавая более совершенные двигатели.

Технология статора печатной платы ECM
pcbstator.com