王文濤， 安震東

(蘭州電機(jī)股份有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

近年來(lái)，中國(guó)越來(lái)越重視環(huán)境保護(hù)，多次提出減排減碳目標(biāo)。工業(yè)節(jié)能在其中具有非常重要的意義。工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)電機(jī)是用電最大的耗電設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年國(guó)內(nèi)電機(jī)保有量約40億千瓦，總耗電量4.8萬(wàn)億千瓦時(shí)，占全社會(huì)總用電量的64%，占工業(yè)用電的75%[1]，因此提高電機(jī)效率當(dāng)屬工業(yè)節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

高效電機(jī)一般指符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中2級(jí)能效等級(jí)的電機(jī)。國(guó)內(nèi)自2006年開(kāi)始高效電機(jī)的研制工作，目前各大企業(yè)均有滿足此能效等級(jí)要求的高壓電機(jī)產(chǎn)品。當(dāng)前國(guó)內(nèi)電機(jī)市場(chǎng)中高效電機(jī)占比已比2013年約提高了20個(gè)百分點(diǎn)[2]，但隨著行業(yè)的發(fā)展和節(jié)能要求的提高，電機(jī)效率要求不斷提升。低壓電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)GB 18613—2020《電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》[3]于2020年5月29日頒布，并將于2021年6月1日實(shí)施，新標(biāo)準(zhǔn)中提高了能效等級(jí)限定值。新標(biāo)準(zhǔn)頒布后多家單位和企業(yè)參與了IE5(1級(jí)能效)樣機(jī)研制工作，據(jù)悉現(xiàn)已完成了5個(gè)規(guī)格19臺(tái)樣機(jī)試制，效率實(shí)測(cè)值均已達(dá)到IE5能效等級(jí)[4]。在高壓電機(jī)能效提升方面，國(guó)內(nèi)部分具有前瞻性的企業(yè)正在加強(qiáng)技術(shù)研究，希望進(jìn)一步提升效率。蘭州電機(jī)股份有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)“蘭州電機(jī)”)在2級(jí)能效電機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了嘗試性工作，開(kāi)展1級(jí)能效電機(jī)的試制研發(fā)。本文介紹蘭州電機(jī)結(jié)合企業(yè)實(shí)際狀況研制YX400-4 710 kW 6 kV 1級(jí)能效電機(jī)的情況。

1 總體設(shè)計(jì)

電機(jī)的研制以JB/T 12728—2016《Y、YX系列三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件及能效分級(jí)》(機(jī)座號(hào)355～630)為基礎(chǔ)技術(shù)條件，GB 30254—2013《高壓三相籠型異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》中1級(jí)能效為目標(biāo)，綜合考慮成本和性能，兼顧設(shè)計(jì)方案的延續(xù)性和后續(xù)生產(chǎn)的通用性，在蘭州電機(jī)原2級(jí)能效電機(jī)的基礎(chǔ)上開(kāi)展。方案設(shè)計(jì)中，根據(jù)功率平衡方程和效率計(jì)算式，提高電機(jī)效率的主要方法就是合理地降低各種損耗[5-6]。

電機(jī)效率η定義為

(1)

式中：P1為輸入功率；P2為輸出功率。

輸入功率等于輸出功率與損耗之和，即

(2)

式中：ΣP為總損耗；PCu1為定子銅損；PCu2為轉(zhuǎn)子銅損；PFe為鐵損；Pm為風(fēng)摩損耗；Pad為附加損耗。

電機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用方箱式機(jī)座帶冷卻頂罩，內(nèi)部雙風(fēng)扇雙循環(huán)風(fēng)路，頂罩兩端進(jìn)風(fēng)中間兩側(cè)出風(fēng)，滾動(dòng)軸承，吊入式鐵心。

圖1 電機(jī)總體結(jié)構(gòu)(mm)

2 電磁方案設(shè)計(jì)

電磁方案以提高效率為主要目標(biāo)，力爭(zhēng)電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)合理。應(yīng)用蘭州電機(jī)的路算法計(jì)算機(jī)程序和EasiMotor仿真輔助計(jì)算，經(jīng)多次優(yōu)化，確定了電磁方案。方案主要特點(diǎn)如下。

(1)利用原三圓尺寸，以減小新增模具費(fèi)用。

(2)定、轉(zhuǎn)子沖片采用低損耗硅鋼片50W310。

(3)定子線圈采用減薄絕緣結(jié)構(gòu)，增大線規(guī)相對(duì)面積，減小電密，降低熱負(fù)荷。

(4)采用高強(qiáng)度磁性槽楔，降低附加鐵耗，改善電機(jī)參數(shù)[7]。

(5)改變槽楔形狀，防止磁性槽楔脫落。

(6)采用銅條轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，改變轉(zhuǎn)子槽形。增大轉(zhuǎn)子導(dǎo)體寬高比，增強(qiáng)電機(jī)起動(dòng)性能。

運(yùn)用EasiMotor磁路法計(jì)算并基于計(jì)算結(jié)果開(kāi)展負(fù)載運(yùn)行仿真，輔助優(yōu)化電磁方案。優(yōu)化后電機(jī)主要輸出參數(shù)與原2級(jí)能效電機(jī)設(shè)計(jì)輸出參數(shù)對(duì)比及研制電機(jī)主要參數(shù)目標(biāo)值如表1和表2所示。仿真磁場(chǎng)磁密分布圖、效率曲線、轉(zhuǎn)矩曲線等結(jié)果如圖2～圖6所示。

表1 研制電機(jī)和2級(jí)能效電機(jī)主要參數(shù)

表2 研制設(shè)計(jì)值與目標(biāo)值[8-9]

圖2 磁場(chǎng)中磁密分布云圖

圖3 效率-轉(zhuǎn)速曲線

圖4 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩

圖5 最大轉(zhuǎn)矩

圖6 堵轉(zhuǎn)電流曲線

由圖4～圖6可知：電機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為3 313 N·m，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為0.73；最大轉(zhuǎn)矩為11 665 N·m,最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為2.57；堵轉(zhuǎn)電流為518 A，堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)為6.27。

運(yùn)用EasiMotor開(kāi)展負(fù)載運(yùn)行仿真得到的主要參數(shù)如表3所示。對(duì)比可知，仿真結(jié)果參數(shù)基本與設(shè)計(jì)值接近，在容差范圍內(nèi)且偏離不大，因而確定此電磁方案可行。

表3 EasiMotor負(fù)載運(yùn)行仿真主要參數(shù)結(jié)果

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 定子鐵心

定子鐵心采用低損耗50W310硅鋼片疊壓制成。沖片加工時(shí)要求定向裁剪、毛刺小于0.03 mm；疊壓時(shí)按一定的片數(shù)和角度交錯(cuò)疊壓，疊壓系數(shù)0.98，有效提高鐵心利用率。鐵心疊壓質(zhì)量是此電機(jī)的一大關(guān)鍵。按鐵心長(zhǎng)每50 mm一段設(shè)一徑向通風(fēng)溝，通風(fēng)溝寬10 mm，兩端利用壓圈和分布在鐵心外圓的8根筋交錯(cuò)焊接固定。與原2級(jí)能效電機(jī)相比，筋與定子壓圈有很大改變。為減小線圈端部伸出鐵心長(zhǎng)度、降低定子銅耗，壓圈設(shè)計(jì)成薄壓圈，齒向內(nèi)傾斜一定角度。兩端壓圈并不完全一樣，一端外徑與定子沖片相同，一端在此外徑上8根筋的位置高出一凸臺(tái)，外徑與加工后筋相同。這樣，壓圈在筋與筋之間形成通風(fēng)道。8根筋在鐵心外圓上均勻分布，一端與壓圈內(nèi)側(cè)面平齊焊接，另一端略長(zhǎng)于鐵心壓在另一壓圈上焊接。鐵心疊壓焊接完成后在筋兩端加工與機(jī)座配合的外圓止口，如圖7所示。筋上做標(biāo)志，鐵心落入機(jī)座時(shí)按標(biāo)志位置與機(jī)座連接。

圖7 定子鐵心實(shí)物

3.2 線圈

定子線圈銅線采用FYYB高強(qiáng)度云母導(dǎo)線，端部伸出鐵心40 mm，端部線圈間隙5 mm，以利于端部散熱。下線完成連同鐵心整體進(jìn)行真空浸漆(VPI)。線圈絕緣經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn)，確定了新型減薄絕緣結(jié)構(gòu)：選取高性?xún)r(jià)比的薄膜補(bǔ)強(qiáng)少膠云母帶S5446-1P和高純度環(huán)氧浸漬樹(shù)脂T1169材料，實(shí)現(xiàn)減薄絕緣的目的。新的絕緣結(jié)構(gòu)使線圈絕緣厚度由單邊1.4 mm減薄到1.1 mm，如圖8所示。

圖8 絕緣結(jié)構(gòu)示意圖

減薄絕緣對(duì)于電機(jī)設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)導(dǎo)線面積相對(duì)增大，故電流密度減小，熱負(fù)荷減小，有利于降低電機(jī)溫升；(2)導(dǎo)線面積相對(duì)增大，提升了有效材料的利用率，從而提高電機(jī)效率；(3)絕緣厚度的減薄有利于散熱，降低絕緣老化，延長(zhǎng)電機(jī)壽命。

3.3 機(jī)座

機(jī)座為鋼板焊接方箱式結(jié)構(gòu)，由前后端板、兩邊側(cè)板、中間兩環(huán)板、底板和底腳板構(gòu)成。設(shè)計(jì)上增大了兩側(cè)板的間距，減小板厚，在鐵心兩環(huán)板間設(shè)有方鋼加強(qiáng)筋，端板上端蓋配合孔尺寸減小，以增強(qiáng)機(jī)座整體的強(qiáng)度。機(jī)座考慮了通用性，內(nèi)部帶有加熱器。

3.4 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子為銅條轉(zhuǎn)子，焊筋軸結(jié)構(gòu)，帶有內(nèi)風(fēng)扇。

轉(zhuǎn)子鐵心使用與定子鐵心相同的硅鋼片，要求相同的加工精度和疊壓方式，具有與定子鐵心同樣數(shù)目和寬度的通風(fēng)溝并與之對(duì)正。軸上4根筋均布，與鐵心配合形成4條通風(fēng)道。為了獲得更大的通風(fēng)面積，筋板截面積設(shè)計(jì)為T(mén)字形，并改變筋板端頭形狀以更利于通風(fēng)順暢。轉(zhuǎn)子銅條采用7.1 mm×40 mm紫銅條，降低了銅條的電阻率，加大銅條高度，以期在集膚效應(yīng)作用下改善起動(dòng)性能。

電機(jī)內(nèi)風(fēng)扇一般選用離心式風(fēng)扇和軸流式旋槳風(fēng)扇。離心式風(fēng)扇風(fēng)壓大但效率低；軸流式旋槳風(fēng)扇能獲得足夠的風(fēng)量，效率高，但只能單向旋轉(zhuǎn)，一般適合高速電機(jī)[10]。對(duì)采用離心式風(fēng)扇和軸流式旋槳風(fēng)扇的相同4極電機(jī)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。數(shù)據(jù)表明選用旋槳風(fēng)扇對(duì)電機(jī)的效率和溫升有明顯的改善，故選用軸流式旋槳風(fēng)扇。

表4 離心風(fēng)扇與旋槳風(fēng)扇試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)軸流式旋槳風(fēng)扇進(jìn)行了流體仿真。仿真模型如圖9所示，位置速度云圖如圖10所示。仿真結(jié)果表明，軸流式旋槳風(fēng)扇在提升冷卻效率和減少冷卻消耗功率方面均有良好表現(xiàn)[11]。

圖9 軸流式旋槳風(fēng)扇仿真模型

圖10 軸流式旋槳風(fēng)扇位置速度云圖

3.5 軸承

軸承采用滾動(dòng)軸承。雙球軸承結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)端定位，非驅(qū)動(dòng)端浮動(dòng)。浮動(dòng)端裝有彈簧給定初始預(yù)緊力。詳細(xì)的軸承計(jì)算不再贅述。選用SKF滾動(dòng)軸承，驅(qū)動(dòng)端型號(hào)為6226C3，非驅(qū)動(dòng)端型號(hào)為6224C3。帶軸承室的一體式端蓋，減小了端蓋外圓，從而可以增強(qiáng)機(jī)座的強(qiáng)度。

3.6 風(fēng)路優(yōu)化

電機(jī)冷卻方式為IC01，采用雙風(fēng)扇的內(nèi)部雙風(fēng)路循環(huán)。電機(jī)頂部為冷卻罩，外部風(fēng)從兩端進(jìn)入經(jīng)內(nèi)部循環(huán)帶走熱量，再?gòu)睦鋮s罩中部?jī)蓚?cè)流出完成熱交換。內(nèi)部風(fēng)路循環(huán)方式與常規(guī)電機(jī)相比沒(méi)有變化，只是改進(jìn)了風(fēng)路。改變?cè)ㄗ予F心與機(jī)座連接配合方式，由原來(lái)的環(huán)對(duì)環(huán)改變?yōu)榻顚?duì)環(huán)，增強(qiáng)了鐵心表面的散熱能力。根據(jù)電機(jī)內(nèi)部熱交換的相關(guān)理論[12]，減小了內(nèi)風(fēng)路風(fēng)阻，有利于電機(jī)的整體散熱。電機(jī)風(fēng)路循環(huán)圖如圖11所示。

圖11 電機(jī)風(fēng)路循環(huán)圖

運(yùn)用ANSYS進(jìn)行電機(jī)風(fēng)冷流體動(dòng)力學(xué)仿真分析。電機(jī)整體和內(nèi)部的仿真分析模型及流體邊界設(shè)置如圖12所示。仿真溫度云圖如圖13所示。

圖12 電機(jī)風(fēng)冷流體動(dòng)力學(xué)仿真分析模型及流體邊界設(shè)置

圖13 不同界面溫度云圖

分析溫度云圖可知，電機(jī)內(nèi)溫度分布基本均勻，優(yōu)于普通電機(jī)溫升B級(jí)考核要求。

4 研制結(jié)果

電機(jī)制造完成并進(jìn)行型式試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。由表5可知，該電機(jī)的各項(xiàng)主要參數(shù)基本滿足設(shè)計(jì)值和預(yù)期目標(biāo)值，堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)超標(biāo)但仍在容差范圍內(nèi)。

表5 型式試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)

對(duì)比2級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)，該電機(jī)在節(jié)能環(huán)保方面效果更加顯著。按每年8 000 h額定運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算，每年節(jié)約用電量約54 418 kW·h。以每度電0.8元計(jì)算，可節(jié)約電費(fèi)約43 534元。

按照國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，每度電需使用0.404 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，每噸標(biāo)準(zhǔn)煤CO2排放量為2.62 t，則每年可減少CO2排放量約57.6 t。

由此可見(jiàn)，無(wú)論是在經(jīng)濟(jì)方面，還是在節(jié)能減排、綠色環(huán)保方面，1級(jí)能效電機(jī)均有突出表現(xiàn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

完成了YX400-4 710 kW 6 kV 1級(jí)能效三相異步電動(dòng)機(jī)的研制。型式試驗(yàn)結(jié)果表明主要性能指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，證明了電動(dòng)機(jī)研制方向的正確性和研制方法的有效性。通過(guò)此次研制過(guò)程，探索出一些新的思路和方法，希望能進(jìn)一步推廣研究，為其他結(jié)構(gòu)形式電機(jī)的效率提升提供參考。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化控制，有望繼續(xù)改進(jìn)和提升能效。電動(dòng)機(jī)能效的提升將為可持續(xù)發(fā)展的綠色環(huán)保節(jié)能目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。