金 晶, 李光耀, 湯惠明

(上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司, 上海 200063)

YE3系列(IP23)三相異步電動機的開發(fā)*

金 晶, 李光耀, 湯惠明

(上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司, 上海 200063)

介紹了YE3系列(IP23)三相異步電動機的技術(shù)參數(shù)、型譜和產(chǎn)品的研制情況，重點分析了降低電動機溫升所采用的新型通風(fēng)結(jié)構(gòu)。該產(chǎn)品在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

電動機； 節(jié)能； 效率； 開發(fā)

0 引 言

在工業(yè)領(lǐng)域，電動機節(jié)能已成為工業(yè)節(jié)能的關(guān)鍵，目前國家已將電動機能效提升作為工業(yè)節(jié)能的重點工作來抓。隨著節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力，高效電動機研發(fā)和推廣已成為保障社會、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要手段，是我國《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的重點關(guān)注點之一。

在我國，目前符合IEC-IE3效率標(biāo)準(zhǔn)的電動機產(chǎn)品僅有YE3系列(IP55)超高效三相異步電動機[簡稱YE3系列(IP55)電動機]。由于該系列產(chǎn)品制造成本較高，在實行推廣中會大大增加企業(yè)的生產(chǎn)制造壓力。通過市場調(diào)研了解到，一部分電動機在實際運行中，其運行工況比較清潔，無特殊粉塵、異常氣體及其他有害物質(zhì)，完全可以采用防護(hù)等級為IP23的防護(hù)結(jié)構(gòu)。在額定功率和效率相同的情況下，該結(jié)構(gòu)擁有更好的散熱性，能有效地控制電動機的溫升，減少制造成本。在美國，NEMA電動機就有ODP(開啟式)結(jié)構(gòu)和TEFC(封閉式)結(jié)構(gòu)。國外對于高效電動機的設(shè)計思想就是物盡其用，會根據(jù)不同的運行工況來選取適合的電動機結(jié)構(gòu)，從而合理控制電動機的制造成本。因此，針對生產(chǎn)、制造IE3以上效率的電動機，設(shè)計開發(fā)IP23防護(hù)結(jié)構(gòu)的系列產(chǎn)品，是一種切實有效的降本途徑。

2014年3月，最新版IEC 60034-30-1—2014“電網(wǎng)供電的交流電動機能效分級(IE代碼)”正式頒布，該標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了各種結(jié)構(gòu)類型的電動機，其中就包含了IP23防護(hù)結(jié)構(gòu)的電動機能效分級。IEC標(biāo)準(zhǔn)的頒布給YE3系列(IP23)三相異步電動機的設(shè)計開發(fā)提供了有效的依據(jù)。

1 技術(shù)參數(shù)

YE3系列(IP23)三相異步電動機基本參數(shù)如下： 機座號為H160～H355；功率等級為4～355kW；極數(shù)為2～8極；防護(hù)等級為IP23；電壓和頻率為380V/50Hz；安裝方式為IMB3；傳動方式為聯(lián)軸器連接傳動。

2 型 譜

繼Y系列之后聯(lián)合設(shè)計開發(fā)的Y2、Y3、YX3、YE2系列產(chǎn)品都沒有進(jìn)行相應(yīng)IP23防護(hù)結(jié)構(gòu)的系列產(chǎn)品設(shè)計。YE3系列(IP23)產(chǎn)品也不是為了替代Y系列(IP23)產(chǎn)品開發(fā)的，是為了探索制造高效率電動機的成本控制而“獨辟蹊徑”。YE3系列(IP23)三相異步電動機的機座號與轉(zhuǎn)速及功率的對應(yīng)關(guān)系與YE3系列(IP55)三相異步電動機基本一致，如表1所示。

表1 機座號與轉(zhuǎn)速及功率的對應(yīng)關(guān)系

3 效率指標(biāo)

YE3系列(IP23)超高效三相異步電動機的效率值達(dá)到IEC 60034-30-1—2014旋轉(zhuǎn)電機 第30-1部分： 電網(wǎng)供電的交流電動機能效分級(IE代碼)規(guī)定的IE3效率標(biāo)準(zhǔn)，其效率保證值，如表2所示。

表2 電動機的效率 %

4 三圓尺寸和槽配合

為了提高產(chǎn)品的通用化，減少企業(yè)的制造成本，YE3系列(IP23)三相異步電動機的三圓尺寸與國內(nèi)高效率三相異步電動機的參數(shù)基本保持一致，如表3所示。

表3 YE3系列(IP23)三相異步電動機的定子沖片

電動機的槽配合不僅與電動機的電磁噪聲有很大關(guān)系，對電動機雜散損耗的影響也很大。實踐證明基本上是定轉(zhuǎn)子槽數(shù)增多，且轉(zhuǎn)子槽數(shù)少于定子槽數(shù)的電動機的雜散損耗試驗值要小，選用合適的槽配合和斜槽，對降低電磁噪聲和雜散損耗同樣重要，如表4所示。

表4 YE3系列(IP23)三相異步電動機的槽配合

5 系列產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

YE3系列(IP23)電動機采用徑向通風(fēng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計[1]，如圖1所示。

圖1 電機的整體結(jié)構(gòu)示意圖

電機的整體通風(fēng)方式是由電機旋轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)子兩端的風(fēng)葉產(chǎn)生風(fēng)壓，冷卻空氣經(jīng)由前、后端蓋底部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)，通過端蓋內(nèi)側(cè)的擋風(fēng)板進(jìn)行引流、導(dǎo)風(fēng)，空氣流經(jīng)繞組后進(jìn)入機座的軸向通風(fēng)道并由機座中間的出風(fēng)口出風(fēng)，如圖2所示。

圖2 電機的通風(fēng)方式示意圖

設(shè)計時，采用了Solidworks三維建模輔助設(shè)計和ANSOFT分析軟件,對通風(fēng)情況進(jìn)行模擬，提高通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。該通風(fēng)結(jié)構(gòu)保證了進(jìn)風(fēng)不被遮擋，空氣能平順地流進(jìn)電機進(jìn)行熱交換，倘若改變電機的安裝結(jié)構(gòu)也能保證電機整體進(jìn)風(fēng)的平衡。

5.2 主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1) 機座設(shè)計。在滿足電機安裝尺寸要求的前提下，為滿足YE3系列(IP23)電動機通風(fēng)結(jié)構(gòu)的要求，經(jīng)充分考慮后決定盡可能將機座上的出風(fēng)口設(shè)計到最大。同時，分析了Y系列(IP23)的機座結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)功率較小的電動機其機座出風(fēng)面積要比相應(yīng)端蓋的進(jìn)風(fēng)面積都大，去相關(guān)企業(yè)調(diào)研時也發(fā)現(xiàn)，由于鑄件工藝等問題，對于內(nèi)徑較小的機座，在運行測試時感覺機座上半部出風(fēng)口的實際出風(fēng)集中在出風(fēng)窗口偏下的位置，且出風(fēng)量也不大?？紤]到上述情況，在設(shè)計時，對小功率機座只采用兩側(cè)下部出風(fēng)的結(jié)構(gòu)，簡化了機座上半部的設(shè)計；但隨著功率的增大，為保證出風(fēng)量，依舊沿用機座兩側(cè)上、下部均有出風(fēng)口的結(jié)構(gòu)；在機座設(shè)計時還綜合考慮了剛度、鑄件變形以及滿足防護(hù)要求等多重因素。

H160～250中心高的機座整體呈圓形，其出風(fēng)口分別位于左右兩側(cè)的下半部；H280～355中心高的機座整體呈方形，其左右兩側(cè)的上、下部均有出風(fēng)口；該結(jié)構(gòu)的機座需要在出風(fēng)口處配上網(wǎng)罩以滿足防護(hù)等級。機座與有繞組定子鐵心通過機座內(nèi)的軸向筋配合固定，設(shè)計時要保證筋與機座內(nèi)壁有一定的高度(宜為20～30mm)才能使機座內(nèi)通風(fēng)順暢；機座長度的設(shè)計基于該系列中最大功率(不包含擴大功率)情況下的有繞組鐵心長度，同時也必須滿足底腳安裝尺寸(C和B尺寸)以及底腳螺栓扳手空間的需要。

為了提高模具的使用率，考慮電機的出線窗口能左、右互換，機座的出風(fēng)窗口保持中心對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，但底腳安裝尺寸(B和C尺寸)并不是中心對稱設(shè)計，因此要在機加工之前確保出線方向的位置。

(2) 端蓋設(shè)計。為保證新設(shè)計的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，電動機端蓋設(shè)計相較于以前的Y系列(IP23)有非常大的區(qū)別。以前的端面進(jìn)風(fēng)，端蓋厚度可以做得很薄，現(xiàn)在是端蓋底下進(jìn)風(fēng)，為了滿足進(jìn)風(fēng)量的要求要保證端蓋有一定的厚度；另外，由于軸承外蓋上無需再采用骨架式油封結(jié)構(gòu)，只需具備一定的擋油功能，因此將簡化后的軸承外蓋與端蓋做成了一體式的結(jié)構(gòu)設(shè)計。這樣的端蓋設(shè)計集成通風(fēng)、加油、卸油等功能為一體，節(jié)省軸向距離，更利于空間尺寸的排布，且減少安裝操作步驟，但是對于軸向需要安裝波形彈簧片、擋圈、甩油盤等零件時，要注意先后安裝順序，會增加電機裝配的難度。由于進(jìn)風(fēng)窗口較大，為滿足防護(hù)要求按需配上防護(hù)網(wǎng)罩。

根據(jù)兩種機座結(jié)構(gòu)，設(shè)計的端蓋結(jié)構(gòu)也會略有不同。中心高H160～250的端蓋與機座配合是利用了機座45°方向上的四根橫向筋，水平和垂直四個位置上安裝擋風(fēng)板，垂直位置作為加油、卸油位置；中心高H280～355的端蓋安裝通過6個螺栓與機座配合，在端蓋內(nèi)有6個突出的小搭子來安裝、固定擋風(fēng)板，電機的加油與卸油也在垂直位置上。

(3) 定子和有繞組鐵心的設(shè)計。設(shè)計時考慮到出線端與非出線端的繞組端部離開機座的軸向尺寸保持一致，因此除了中心高225以下2極電機各規(guī)格有繞組鐵心在機座中心對稱位置以外，其余規(guī)格的有繞組鐵心均偏離機座中心有一定的距離，具體距離視繞組出線端長度而定。

(4) 改變定子繞組端部長度的設(shè)計。在節(jié)材的原則下，為了提高空間利用率，在保證平均半匝長不變的情況下，針對2極、4極電動機改變傳統(tǒng)的梭形線圈，部分采用梯形線圈，梯形線圈示意圖，如圖3所示。

圖3 梯形線圈示意圖

采用梯形線圈能使繞組端部的伸出長度縮短5～40mm不等，能很大程度縮短機座的長度，對提升電動機空間的排布合理性有很大作用。

系列產(chǎn)品中心高H180以上所有的2極繞組均采用梯形線圈，中心高H280以上所有2、4極繞組均采用梯形線圈。目前該線圈在實際運用中的反響較好，并有相關(guān)工藝文件來指導(dǎo)規(guī)范操作和生產(chǎn)。YE3系列(IP23)超高效電動機的定子繞組端部長度，如表5所示。

表5 全系列定子繞組端部長度 mm

5.3 產(chǎn)品主要傳動件的校核以及軸承的選用

(1) 軸的剛度計算。轉(zhuǎn)軸是電機的重要零件之一，既要支撐各種轉(zhuǎn)動零部件的重量又要傳遞轉(zhuǎn)矩、輸出機械功率，因而轉(zhuǎn)軸的剛度計算就尤為重要。

軸的設(shè)計包括軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計和軸的計算。軸的計算包括軸的強度計算、軸的剛度計算、軸的臨界轉(zhuǎn)速計算。本次僅對軸的剛度和軸的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行計算。

軸在載荷的作用下會產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，當(dāng)這些變形超過某個允許值時，會使機器的零部件工作狀況惡化，甚至使機器無法正常工作，故對精密機器的傳動和對剛度要求高的軸，要進(jìn)行剛度校核，以保證軸的正常工作。軸的剛度分為扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度兩種，前者以扭轉(zhuǎn)角θ來度量，后者以撓度y來度量。

通過對全系列電機轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行核算，計算結(jié)果顯示全系列軸的扭轉(zhuǎn)角θ均小于許用扭轉(zhuǎn)角θP=0.25°～0.5°，所有軸伸均滿足扭轉(zhuǎn)剛度要求。

比較全系列軸承檔長度后發(fā)現(xiàn)，中心高H160～H280以上的YE3系列(IP23)的軸承檔均大于YE2系列(IP55)的軸承檔，其中以H160、H225、H280這三個中心高相差的最大，因此選取這三個中心高最大功率的產(chǎn)品來進(jìn)行軸的撓度以及臨界轉(zhuǎn)速的校核，并且對H315、H355的大功率產(chǎn)品也一并進(jìn)行彎曲剛度的校核。撓度y與電機的氣隙值δ的比值是判斷轉(zhuǎn)軸撓度是否在允許的范圍之內(nèi)的指標(biāo)；按照經(jīng)驗，一般轉(zhuǎn)子的撓度占單邊氣隙的百分?jǐn)?shù)在10%以下。計算結(jié)果顯示18個規(guī)格中，撓度y與電機的氣隙值δ的比值在 5%～ 6%之間的有3個規(guī)格，在3%～5%之間的有4個規(guī)格，其余11個規(guī)格均在3%以下。

(2) 軸承的選用。軸承是電機重要的傳動部件之一。選用軸承一般根據(jù)負(fù)載的傳動方式、機型、工作條件、可靠性要求及軸承的轉(zhuǎn)速n等因素。

根據(jù)高效電動機的設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合YE3系列(IP23)電動機通風(fēng)結(jié)構(gòu)以及端蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計的特性，全系列采用C3游隙，除中心高H160-2以外，前軸承均采用寬度系列3系列；對于2極電機，盡量保持軸伸端與非軸伸端的軸承選型一致，部分小功率的2極電機擋風(fēng)板內(nèi)徑要比軸承內(nèi)蓋的外徑還小，會致使裝配發(fā)生困難，因此將受力情況良好的后軸承改用寬度系列為2的輕載系列軸承；另外，中心高H315、H355的4極及以上采用圓柱滾子軸承；各中心高的軸承規(guī)格與YE2系列(IP55)的軸承規(guī)格比較，如表6所示。

表6 各中心高軸承規(guī)格與YE2系列(IP55)的比較

6 樣機試制情況

項目組結(jié)合IP23電動機的訂貨情況，靈活制訂了樣機的試制規(guī)格，完成了8個規(guī)格13臺樣機的試制。樣機的極數(shù)為4P～8P，功率等級為 11～160kW，機座號為H160～H315，樣機試制性能數(shù)據(jù)匯總，如表7所示。通過樣機試制，驗證了設(shè)計的合理性，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

表7 樣機試制性能數(shù)據(jù)匯總

續(xù)表

7 結(jié) 語

YE3系列(IP23)三相異步電動機的開發(fā)，旨在通過改變電動機的防護(hù)結(jié)構(gòu)，提高電動機的自身散熱性能，在達(dá)到IE3標(biāo)準(zhǔn)效率要求的基礎(chǔ)上，減少有效材料的用量，緩解產(chǎn)品制造成本的增加，提升超高效率電動機的市場競爭力和占有率，逐步縮小與歐美市場電動機占有率的差距。該系列產(chǎn)品的推廣對高效、超高效產(chǎn)品的節(jié)能、節(jié)材起到很大的促進(jìn)作用，在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的市場應(yīng)用前景。

[1] 陳世坤.電機設(shè)計[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2000.

Development of YE3 Series (IP23) Three-Phase Asynchronous Motors*

JINJing,LIGuangyao,TANGHuiming

(Shanghai Engineering Research Center of Motor System Energy Saving Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

Technology parameters, power spectrum and product development situation of YE3 Series(IP23) three-phase asynchronous motors were introduced. The new ventilation structure which was taken to reduce the temperature rise of the motors was analyzed emphatically.The product has a broad market prospect in the industrial field.

motor； energy saving； efficiency； development

《上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心能力提升》(14DZ2280800)

金 晶(1983—)，女，工程師，研究方向為高效節(jié)能三相異步電動機系列產(chǎn)品的開發(fā)。 湯惠明(1967—)，女，工程師，研究方向為中小型電機研發(fā)。

TM 301

A

1673-6540(2017)02- 0078- 00

2016-11-15