王 勃， 王少景

(1.東華大學(xué)，上海 201600;2.上海睿達(dá)電氣有限公司，上海 200333)

0 引言

防爆電動機(jī)是適應(yīng)在石油、化工、煤炭等行業(yè)運行的電動機(jī)。由于這些行業(yè)的工藝流程的連續(xù)性，使用防爆超高效電動機(jī)是最符合節(jié)能減排、綠色環(huán)保的運行方式。因此美國、加拿大等國的電機(jī)公司在推出一般用途超高效三相異步電動機(jī)的同時，積極研發(fā)防爆超高效三相異步電動機(jī)，以爭取這塊最大的特種電機(jī)市場。

本文介紹的防爆超高效三相異步電動機(jī)，符合美國、加拿大等國市場使用的防爆超高效三相異步電動機(jī)(以下簡稱電動機(jī))的要求。

1 電動機(jī)的主要參數(shù)與要求

1.1 電動機(jī)的使用場所及性能要求

符合尼瑪標(biāo)準(zhǔn)的防爆超高效三相異步電動機(jī)，使用在1類1區(qū)C，D組;2類1區(qū)E，F(xiàn)，G組，具有爆炸危險氣體與粉塵環(huán)境的場所。溫度組別T3C(≤160℃)。電動機(jī)的防爆性能符合:

(1)UL674-1996，使用Ⅰ區(qū)危險場所的電動機(jī)和發(fā)電機(jī);

(2)CSA C22.2 No.145-M1986，使用危險場所的電動機(jī)和發(fā)電機(jī);

(3)IEEE841-2001 500HP及以下石油化工惡劣環(huán)境用全封閉扇冷(TEFC)籠型感應(yīng)電動機(jī)。

1.2 電動機(jī)性能

電動機(jī)的一般性能符合下列標(biāo)準(zhǔn):

(1)NEMA MG1-2006，電動機(jī)和發(fā)電機(jī);

(2)UL1004-2003，電動機(jī);

(3)IEEE112—1996，多相感應(yīng)電動機(jī)和發(fā)電機(jī)試驗方法。

1.3 電動機(jī)的其他要求

A型和 B型設(shè)計，防護(hù)等級 IP55，60 Hz和50 Hz，F(xiàn)級絕緣，全封閉風(fēng)扇冷卻方式。使用系數(shù)為1.15(60 Hz)或1.0(50 Hz)，電壓為230/460 V(60 Hz)或190/380 V(50 Hz)，功率為1～300 HP，機(jī)座號為 143T～449TS，同步轉(zhuǎn)速為3 600、1 800、1 200 r/min，可以實現(xiàn) F1、F2 的轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)派生C法蘭、D法蘭。

1.4 電動機(jī)型譜

電動機(jī)型譜如表1所示。

1.5 60 Hz運行時的效率

60 Hz運行時的效率如表2所示。

1.6 50 Hz運行時的效率

50 Hz運行時的效率如表3所示。

2 UL的分類、分組和分區(qū)與防爆審查

由于電動機(jī)需要送美國保險商實驗室(UL)或加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(CSA)進(jìn)行防爆認(rèn)證，本文對UL作簡要介紹。

表2 電動機(jī)的滿載效率(60 Hz)

UL是著名的認(rèn)證機(jī)構(gòu)，在美國和國際危險場所的認(rèn)證工作迄今已有近90年歷史。UL關(guān)于危險場所的分類、分區(qū)和分組如下。

2.1 分類

UL關(guān)于爆炸危險場所用的分類有三個:

(1)I類，可燃性氣體、蒸汽和液體;

(2)II類，可燃性粉塵;

(3)III類，可燃性纖維和飛絮飛揚物。

2.2 分組

各種氣體與粉塵分成不同的組，最高的易爆氣體組是A組，之后的組表示引爆能力越來越弱，例如:B組，然后C組，等。以下是與各組有關(guān)的部分氣體或可燃性粉塵:

(1)A組，乙炔;

(2)B組，氫氣、丁二烯、乙烯氧化物或丙烯氧化物;

(3)C組，環(huán)丙烷、乙烷、乙烯;

表3 電動機(jī)的滿載效率(50 Hz)

(4)D組，丙酮、乙醇、氨氣、苯、合成苯、丁烷、汽油、己烷、天然氣、丙烷;

(5)E組，金屬粉塵包括鋁、鎂 以及鋁鎂合金;

(6)F組，炭黑、木炭、煤或煤炭粉塵;

(7)G組，面粉、淀粉、谷類、易燃塑料和化學(xué)粉塵。

2.3 分區(qū)

UL關(guān)于爆炸危險場所用的分區(qū)有三種:

(1)0區(qū)，在正常運行條件下，可燃性氣體、蒸汽或液體的可燃性濃度可能在所有時間，或長期存在的場所。

(2)1區(qū)，在正常運行條件下，可燃性氣體、蒸汽或液體的可燃性濃度以及可燃性粉塵的濃度在所有時間或某些時間可能存在的場所。

(3)2區(qū)，在正常運行條件下，可燃性氣體、蒸汽或液體的可燃性濃度以及可燃性粉塵的濃度不可能存在，僅在設(shè)備故障情況下存在的場所。

2.4 防爆認(rèn)證

電動機(jī)需送UL或CSA進(jìn)行防爆認(rèn)證，防爆審查分為圖紙審查和樣機(jī)審查兩部分。取證一般應(yīng)取在美國和加拿大均使用的證書。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 電動機(jī)主體結(jié)構(gòu)

全系列電動機(jī)的機(jī)座和端蓋均采用鑄鐵制造，機(jī)座上的散熱筋與端蓋上的加強(qiáng)筋采用了垂直、平行分布方式，散熱筋之間使用了非等距分布與非同心圓的組合方式，保證有足夠的強(qiáng)度和良好的散熱能力與鑄造工藝性，還具有優(yōu)美的外觀型式。

轉(zhuǎn)子采用了可靠的鑄鋁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)條和轉(zhuǎn)子鐵心之間有很好的熱耦合性。鑄鋁轉(zhuǎn)子表面經(jīng)防腐處理，以二次熱套的方式與轉(zhuǎn)軸裝配后，經(jīng)高精度動平衡以保證電機(jī)振動小、噪聲低。

采用了優(yōu)化設(shè)計的離心風(fēng)扇，可根據(jù)采購商的要求分別設(shè)計為防靜電塑料與鑄鋁合金兩種材料。端罩也分別設(shè)計為鑄鐵與鋼板兩種，以適應(yīng)采購商要求電機(jī)使用在一般環(huán)境與惡劣環(huán)境的不同場合。

軸承采用優(yōu)質(zhì)滾動軸承，潤滑脂為高質(zhì)量、溫度范圍寬的防銹潤滑油脂。從H140～210中心高，電動機(jī)使用全封閉軸承;從H250～440，電動機(jī)采用深溝球軸承，并設(shè)計有注排油裝置。

電動機(jī)可以安裝防冷凝加熱器，可以安裝熱敏電阻或溫控開關(guān)。接線盒設(shè)計有專門的進(jìn)線錐管螺紋口。

3.2 電動機(jī)的防爆結(jié)構(gòu)要點

(1)電動機(jī)的機(jī)座、接線盒、端蓋、軸承內(nèi)蓋均采用HT250高強(qiáng)度鑄鐵，最小壁厚滿足UL的規(guī)定。這些結(jié)構(gòu)件在精加工后均經(jīng)過1 MPa的水壓試驗，以不變形為合格。

(2)軸貫通采用迷宮式防爆曲路，軸承內(nèi)蓋與端蓋、端蓋與機(jī)座采用圓筒防爆面，接線盒座與接線盒蓋采用平面防爆面。防爆結(jié)合面參數(shù)均符合UL的規(guī)定。

(3)接線盒采用澆封型導(dǎo)管接線盒，澆封材料為經(jīng)UL或CSA認(rèn)證許可。

(4)電動機(jī)的防塵結(jié)構(gòu)主要分為機(jī)座與軸貫通兩部分。機(jī)座與端蓋徑向端面間隙盡可能減小;軸貫通部分:H140～210為V型環(huán)加外防塵蓋，H250～440為甩油環(huán)加防塵蓋，即設(shè)計4個及以上90°的折彎曲路，防止粉塵進(jìn)入軸承室。

(5)螺紋與螺紋連接符合UL的規(guī)定。

4 降低損耗的若干措施

經(jīng)認(rèn)真分析，采用以下技術(shù)措施降低電動機(jī)的定子損耗、轉(zhuǎn)子損耗、鐵耗、機(jī)械耗以及雜散損耗以及振動、噪聲。

4.1 降低定子銅耗(PCU1)

定子銅耗PCU1計算公式為

降低定子銅耗的措施有:

(1)縮短繞組端部長度以及伸出鐵心的直線部分長度等;

(2)減薄絕緣，由0.35厚的槽絕緣改為0.25厚，提高了定子槽的利用率;

(3)提高槽滿率，并選用較大的線規(guī)。

(4)采用新型的定子繞組，減少銅耗與雜散損耗。

4.2 降低轉(zhuǎn)子鋁耗(PAL2)

轉(zhuǎn)子鋁耗PAL2計算公式為PAL2=R2

該設(shè)計全系列電動機(jī)采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。降低轉(zhuǎn)子鋁耗的措施有:

(1)采用截面積較大的轉(zhuǎn)子槽形，增大轉(zhuǎn)子端環(huán)面積;

(2)使用特二級鋁，純度99.6%，澆注前化驗含錳量不大于0.3%;

(3)精煉，使用前應(yīng)充分精煉除氣除渣后方可使用;

(4)采用離心鑄鋁，增大轉(zhuǎn)子導(dǎo)條接觸電阻，減小損耗;

(5)采用轉(zhuǎn)子鐵心的磷化處理措施。

4.3 降低鐵耗(PFe)

鐵心損耗PFe的估算公式為

式中:P1.0/50——鐵心材料在頻率50 Hz，磁密1 T時的單位損耗;

B——鐵心平均磁密;

f——磁通交變頻率;

GFe——鐵心重量;

K——修正系數(shù)，考慮鐵心材料經(jīng)沖片、剪切等加工以及齒部或軛部磁通密度分布不均勻，氣隙磁通非正弦性使損耗增加而進(jìn)行的經(jīng)驗修正系數(shù)。

為降低鐵心損耗采用以下措施:

(1)采用低損耗的優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片，減少電機(jī)的渦流損耗，該設(shè)計全系列電機(jī)使用0.5 mm厚的DW350硅鋼片;

(2)調(diào)整槽形，降低磁負(fù)荷，減少基波鐵損耗;

(3)增加鐵心長，用較多的優(yōu)質(zhì)硅鋼片，減少磁負(fù)荷來降低鐵損耗;

(4)沖片毛刺控制在0.05及以下;

(5)定、轉(zhuǎn)子沖片的疊壓系數(shù)控制在0.98;

(6)定、轉(zhuǎn)子沖片在沖裁后均采用退火工藝與氧化處理，消除機(jī)械應(yīng)力和應(yīng)變，恢復(fù)與提高硅鋼片材料的磁性能。

4.4 降低機(jī)械損耗(PFw)

電動機(jī)的機(jī)械損耗PFw約占總損耗的5%，為降低機(jī)械損耗所采取的措施有:

(1)優(yōu)化外風(fēng)扇，在保證溫升與噪聲的條件下盡可能的提高風(fēng)扇的效率;

(2)優(yōu)化電機(jī)的風(fēng)路結(jié)構(gòu)，為保證風(fēng)路順暢，需保證風(fēng)葉外徑與風(fēng)罩的間隙不大于10 mm，風(fēng)罩進(jìn)風(fēng)口的外徑小于風(fēng)扇外徑;

(3)采用優(yōu)質(zhì)滾動軸承;

(4)采用優(yōu)質(zhì)潤滑脂，降低摩擦損耗。

4.5 降低雜散損耗(Ps)

雜散損耗Ps約占總損耗的10%，是除上述四種損耗以外的全部損耗，降低雜散損耗具體措施有:

(1)采用優(yōu)化的槽配合。近槽配合雜散損耗小，效率因數(shù)及起動性能易于保證，但噪聲偏大，因為需要實測雜散損耗，故選用近槽配合。

(2)采用低諧波準(zhǔn)正弦繞組。經(jīng)過深入研究和反復(fù)試驗，設(shè)計采用了一種新型的低諧波準(zhǔn)正弦繞組，其基本原理如下:

①這種繞組是一種不等匝繞組，即繞組的各個線圈具有不同的匝數(shù)，其各個線圈的匝數(shù)按線圈在空間的位置盡可能具有正弦分布。

②為了提高材料的利用率，每個槽的槽滿率盡可能相同，在考慮線圈的匝數(shù)和節(jié)距時必須嚴(yán)格遵守這一原則。

③繞組的型式為單雙層同心式繞組或雙層疊繞組。

(3)采用特殊的轉(zhuǎn)子加工工藝。

通過對轉(zhuǎn)子加工進(jìn)行反復(fù)試驗，采用特殊刀具，嚴(yán)格控制進(jìn)刀量，實施正反刀等措施達(dá)到了既省時又能降低雜散損耗的目的。

當(dāng)電動機(jī)已經(jīng)制造完成，經(jīng)過性能試驗發(fā)現(xiàn)雜散損耗偏大，因而造成效率指標(biāo)不合格，可以采取以下措施進(jìn)一步提高電動機(jī)效率:

(1)如果電動機(jī)功率因數(shù)有裕度，可以采取放大氣隙的方法;

(2)采用特殊的轉(zhuǎn)子表面酸洗處理工藝。

4.6 采用斜槽

鑄鋁轉(zhuǎn)子采用了經(jīng)過大量實踐驗證的斜槽參數(shù)，有效抑制了因高次諧波磁場產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩和噪聲。

5 典型規(guī)格的設(shè)計與試驗數(shù)據(jù)

由于采取了一系列的技術(shù)措施，樣機(jī)試制取得了很好的效果，表4是NEMA284-2，25HP的電氣性能試驗參數(shù)，其防爆認(rèn)證的各項試驗正在由相關(guān)認(rèn)證機(jī)構(gòu)加緊進(jìn)行中。

6 結(jié) 語

防爆電動機(jī)相對于一般用途封閉式電動機(jī)，在效率相同時，其有效材料如漆包線、硅鋼片、鋁導(dǎo)條等的使用量是一樣的，僅增加了結(jié)構(gòu)材料的10%～15%，工時的10%，以及防爆認(rèn)證費用，而電動機(jī)的價格卻增加了30%以上。因此，這對于國內(nèi)電機(jī)企業(yè)積極開拓國際市場，提高經(jīng)濟(jì)效益以及企業(yè)自身的國際國內(nèi)競爭力，有非常大的實際意義與效益。

表4 NEMA286TS-2(25 HP，460 V，60 Hz)的設(shè)計與試驗數(shù)據(jù)

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

［2］龔埛.電機(jī)制造工藝學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1983.