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IEC 61972：三相感应电动机损耗测定方法 — 精密测量与能效分级
✅ 标准速览
IEC 61972 由 IEC 第 2 技术委员会（旋转电机）于 2002 年发布，确立了三相感应电动机损耗及效率测定的统一方法。该标准将先前的各国标准（IEEE 112-B、IEC 60034-2）协调为单一的全球性程序，规定了试验方法、损耗分离技术和修正系数。标准适用于电压等级最高至 13.8 kV 的低压和中压感应电动机，功率覆盖范围从几分之一千瓦到数兆瓦。
IEC 61972 由 IEC 第 2 技术委员会（旋转电机）于 2002 年发布，确立了三相感应电动机损耗及效率测定的统一方法。该标准将先前的各国标准（IEEE 112-B、IEC 60034-2）协调为单一的全球性程序，规定了试验方法、损耗分离技术和修正系数。标准适用于电压等级最高至 13.8 kV 的低压和中压感应电动机，功率覆盖范围从几分之一千瓦到数兆瓦。
🔌 一、损耗分离方法论
1.1 五大损耗类别
IEC 61972 规定感应电动机的损耗必须分为五个不同的类别，每类各有其测量或计算方法：
| 损耗类别 | 符号 | 测量方法 | 主要影响因素 | 典型占比（75 kW、4极） |
|---|---|---|---|---|
| 定子铜耗 | Ps | 直流电阻测量，校正至运行温度 | 绕组温度、导体截面积、槽满率 | 30-40% |
| 转子铝/铜耗 | Pr | 根据转差率和气隙功率计算 | 导条材料、笼型设计、运行转差率 | 20-30% |
| 铁耗 | Pfe | 额定电压频率下的空载试验 | 硅钢片牌号、磁通密度、制造应力 | 15-25% |
| 机械损耗（风摩耗） | Pfw | 空载试验外推至零电压 | 轴承类型、润滑、风扇设计、转速 | 5-15% |
| 杂散损耗 | Psl | 残余法或赋值法（输入功率的 0.5%） | 槽谐波、集肤效应、漏磁通 | 5-15% |
标准要求总损耗为上述五个分量之和，效率由下式得出：
η = Pout / (Pout + Σ损耗) × 100%
其中 Pout 为测功机或扭矩传感器测量的机械输出功率，Σ损耗 为五个损耗分量的总和。
💡 工程直觉
杂散损耗是最具争议性且最难精确测量的类别。IEC 61972 提供了两种方法：残余法（优选方案），杂散损耗被计算为总测量损耗减去其他所有已确认损耗后的剩余值；赋值法，使用额定输入功率的 0.5% 作为固定值。实际应用中，残余法对于大型电机能给出更精确的结果，而赋值法是一种适用于小功率电机的保守近似。经验丰富的测试工程师深知，杂散损耗的测定精度直接影响 IE 能效等级的判定结果。
杂散损耗是最具争议性且最难精确测量的类别。IEC 61972 提供了两种方法：残余法（优选方案），杂散损耗被计算为总测量损耗减去其他所有已确认损耗后的剩余值；赋值法，使用额定输入功率的 0.5% 作为固定值。实际应用中，残余法对于大型电机能给出更精确的结果，而赋值法是一种适用于小功率电机的保守近似。经验丰富的测试工程师深知，杂散损耗的测定精度直接影响 IE 能效等级的判定结果。
1.2 温度校正与参考条件
IEC 61972 的一个关键要求是将所有损耗测量值校正至参考运行温度。定子绕组电阻必须使用铜的标准温度系数（20 °C 时 0.004 K-1）从测试温度校正至参考温度。参考温度取决于绝缘等级：
| 绝缘等级 | 参考温度 | 绕组温升限值 |
|---|---|---|
| A | 80 °C | 60 K |
| E | 95 °C | 75 K |
| B | 100 °C | 80 K |
| F | 120 °C | 105 K |
| H | 145 °C | 125 K |
如果不进行适当的温度校正，报告的效率可能产生 0.5-1.5 个百分点的偏差，这足以使电机从一个 IE 等级滑入另一个等级。
💡 二、试验程序与仪器要求
2.1 空载试验与堵转试验
IEC 61972 规定了构成损耗分离基础的两项基本试验：
空载试验：电机在额定电压和频率下运行，不带任何机械负载。在此条件下测量的输入功率代表铁耗与机械损耗之和。通过在不同电压下（通常从额定电压的 125% 降至 20%）进行一系列空载测量，并将输入功率对电压的平方作图，通过线性回归外推至零电压，即可将铁耗与机械损耗分离。
堵转试验：转子被机械锁定，施加降低的电压（通常为额定电压的 15-30%）使电流达到额定值。该试验确定转子静止状态下定子和转子铜耗之和，并提供计算等效电路参数所需的数据，这些参数用于后续与转差率相关的损耗计算。
⚠️ 设计警告
IEC 61972 中一个经常被忽视的要求是空载试验前的稳定时间。标准规定电机必须在空载状态下运行足够长的时间（小功率电机通常为 30-60 分钟，大型电机需数小时）以达到热平衡。过早测量可能导致铁耗误差达到 10-15%，因为绕组电阻尚未稳定。进行认证测试的工程师应持续监测绕组温度，仅在温度变化在 30 分钟内小于 1 K 时才开始数据采集。
IEC 61972 中一个经常被忽视的要求是空载试验前的稳定时间。标准规定电机必须在空载状态下运行足够长的时间（小功率电机通常为 30-60 分钟，大型电机需数小时）以达到热平衡。过早测量可能导致铁耗误差达到 10-15%，因为绕组电阻尚未稳定。进行认证测试的工程师应持续监测绕组温度，仅在温度变化在 30 分钟内小于 1 K 时才开始数据采集。
2.2 仪器精度等级
IEC 61972 规定了测试仪器的最低精度要求，根据目标不确定度而有所不同：
| 测量参数 | 常规试验（2 级） | 精密试验（1 级） | 基准试验（0.5 级） |
|---|---|---|---|
| 电压测量 | ±0.5% | ±0.2% | ±0.1% |
| 电流测量 | ±0.5% | ±0.2% | ±0.1% |
| 功率测量 | ±1.0% | ±0.5% | ±0.2% |
| 扭矩测量 | ±1.0% | ±0.5% | ±0.2% |
| 转速测量 | ±1 r/min | ±0.5 r/min | ±0.1 r/min |
| 电阻测量 | ±0.5% | ±0.2% | ±0.1% |
仪器等级的选择直接影响效率测定的合成不确定度。对于 IE4（超超高效率）电机（效率可能超过 96%），即使是 1 级测试设备也可能产生 ±0.4 个百分点的测量不确定度，这已占效率带的一个显著份额。
💻 三、工程设计见解与实际应用
3.1 杂散损耗降低技术
杂散损耗的测定与最小化是 IEC 61972 提供的最有价值的工程指导。杂散损耗来源于气隙中的谐波磁通分量、绕组导体中的感应涡流以及端部绕组区域的漏磁通。减少杂散损耗的现代设计技术包括：
优化槽形设计：采用半闭口或闭口转子槽可降低槽开口谐波的幅值，这些谐波会在定子和转子表面感生高频损耗。对于最佳杂散损耗性能，槽口宽度应最小化至槽距的 3% 以下。
磁性槽楔：用磁性槽楔（通常为相对磁导率 3-10 的铁氧体聚合物复合材料）替代非磁性槽楔，可减小有效槽开口并抑制磁导谐波。这可使中压电机的杂散损耗降低 15-25%。
转子导条绝缘：在大型叠片转子设计中，将转子导条与铁心叠片绝缘可防止产生杂散损耗的条间电流。该技术对于 500 kW 以上的电机至关重要，否则杂散损耗会随电机尺寸不成比例地增加。
✅ 杂散损耗降低实例
一台 1.5 MW、6 极中压感应电机，原设计采用开口定子槽和非绝缘转子导条，杂散损耗达到 12.5 kW（额定功率的 0.83%）。经过采用磁性槽楔和绝缘导条重新设计后，杂散损耗降至 7.2 kW（额定功率的 0.48%），整机效率从 95.8% 提升至 96.3%，使该电机从 IE3 升级至 IE4 等级。增加的制造成本在运行 18 个月内即通过节能收回。
一台 1.5 MW、6 极中压感应电机，原设计采用开口定子槽和非绝缘转子导条，杂散损耗达到 12.5 kW（额定功率的 0.83%）。经过采用磁性槽楔和绝缘导条重新设计后，杂散损耗降至 7.2 kW（额定功率的 0.48%），整机效率从 95.8% 提升至 96.3%，使该电机从 IE3 升级至 IE4 等级。增加的制造成本在运行 18 个月内即通过节能收回。
3.2 效率测试的实际考量
按照 IEC 61972 进行效率测试的工程师应注意以下显著影响结果的实践因素：
电源电压质量：标准假设正弦平衡电源供电。仅 1% 的电压不平衡就会因负序电流使电机损耗增加 2-5%。试验只有在电压不平衡因子（VUF）低于 0.5% 时方可进行，结果应使用标准附录 B 中描述的对称分量法校正至理想条件。
扭矩传感器对中：被试电机与测功机或负载机之间的不对中会引入寄生扭矩误差。标准建议轴对中公差为平行偏移小于 0.05 mm、角度偏差小于 0.05°。即使微小的不对中也可能导致 0.2-0.5% 的扭矩测量误差，这直接转化为同等量级的效率误差。
环境温度影响：在显著偏离参考温度的环境下测试时，需要仔细应用温度校正因子。每偏离参考温度 10 K，绕组电阻校正将使铜耗改变约 4%。
⛾ 四、与 IE 能效分级体系的关系
IEC 61972 为 IEC 60034-30-1 定义的 IE 能效分级体系提供了测量基础。该标准定义了确定电机达到哪个 IE 等级（IE1、IE2、IE3、IE4）的测试协议。测试方法与分级体系之间的关系至关重要：
| IE 等级 | 能效水平 | 典型效率（75 kW、4 极） | 所需测试方法 | 引入年份 |
|---|---|---|---|---|
| IE1 | 标准效率 | 93.0% | IEC 61972 或 IEC 60034-2-1 | 2008 |
| IE2 | 高效率 | 94.3% | IEC 61972（损耗求和法） | 2008 |
| IE3 | 超高效率 | 95.4% | IEC 61972（精密法，含杂散损耗测量） | 2008 |
| IE4 | 超超高效率 | 96.2% | IEC 61972（基准试验，0.5 级仪器） | 2014 |
截至 2026 年，全球许多司法管辖区已强制要求通用电机的最低能效等级为 IE3，而欧盟要求 75 kW 以上电机必须达到 IE4。IEC 61972 测试方法的精度因此具有直接的监管和商业影响。
🔴 关键工程提示
当使用 IEC 61972 进行质保验证或法规合规时，标准明确要求将测量不确定度与效率值一同报告。电机采购合同中常见的争议点在于：制造商的测试（通常为 2 级）报告 IE3 效率为 95.5%，但用户的验收测试（1 级）测量值为 95.0%。差异可能在两者测量合成不确定度的范围内。IEC 61972 提供了计算扩展不确定度（k=2，95% 置信水平）以解决此类争议的指南。务必在采购规格书中指定测试方法和精度等级。
当使用 IEC 61972 进行质保验证或法规合规时，标准明确要求将测量不确定度与效率值一同报告。电机采购合同中常见的争议点在于：制造商的测试（通常为 2 级）报告 IE3 效率为 95.5%，但用户的验收测试（1 级）测量值为 95.0%。差异可能在两者测量合成不确定度的范围内。IEC 61972 提供了计算扩展不确定度（k=2，95% 置信水平）以解决此类争议的指南。务必在采购规格书中指定测试方法和精度等级。
❓ 常见问题
❔ IEC 61972 与 IEC 60034-2-1 有何区别？
IEC 61972（2002 年）是首个专门针对感应电动机损耗测定的国际标准。它后来被并入并和谐至 IEC 60034-2-1（2007 年发布，2014 年修订），后者现作为主要参考标准。然而，许多现行产品规范和监管文件仍引用 IEC 61972。两者的基本方法论相同——损耗分离、损耗求和法、温度校正——但 IEC 60034-2-1 为变频器供电电机提供了更新的指导，并将范围扩展至同步电机。
❔ 该标准如何处理变频器驱动的电机？
最初的 IEC 61972 主要针对正弦波电源测试而制定。对于变频器供电电机，必须考虑逆变器谐波引起的附加损耗（高频开关损耗、时间谐波引起的附加铁耗）。IEC 60034-2-1（及其修正案）引入了在变频器供电下确定损耗的特定方法，包括正弦波供电测试加附加损耗容差法，以及使用规定的变频器电源进行直接测试。工程师应查阅 IEC 60034-2-1 附录 C，获取变频器供电电机效率测试的详细指导。
❔ IEC 61972 能否应用于单相感应电动机？
不能。IEC 61972 专门针对三相感应电动机制定。单相感应电动机使用辅助绕组并通常配备启动电容器，其损耗分布与三相电机有本质区别（辅助绕组中的铜耗更高、电容器损耗额外存在），该标准不涵盖这些内容。对于单相电机，工程师应参考 IEC 60034-2-1（包含部分单相规定）或美国 NEMA MG-1 等国家标准。
❔ 使用 IEC 61972 确定效率的典型不确定度是多少？
合成不确定度在很大程度上取决于仪器等级和测试程序。对于 100 kW 电机的 1 级精密测试，扩展不确定度（k=2）通常为 ±0.3 至 ±0.5 个百分点。对于 2 级常规测试，则增加到 ±0.5 至 ±1.0 个百分点。对于超高效率电机（>96%），不确定度可能占测量损耗的显著比例，使得以高置信度区分 IE3 和 IE4 变得困难。最大的不确定度贡献者包括扭矩测量（约占总不确定度的 40%）、功率测量（30%）和杂散损耗测定（20%）。
