金 晶, 李光耀, 湯惠明

(上海電機(jī)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(dòng)機(jī)的開發(fā)*

金 晶, 李光耀, 湯惠明

(上海電機(jī)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(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)、型譜和產(chǎn)品的研制情況，重點(diǎn)分析了降低電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)； 節(jié)能； 效率； 開發(fā)

0 引 言

在工業(yè)領(lǐng)域，電動(dòng)機(jī)節(jié)能已成為工業(yè)節(jié)能的關(guān)鍵，目前國(guó)家已將電動(dòng)機(jī)能效提升作為工業(yè)節(jié)能的重點(diǎn)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(dòng)機(jī)研發(fā)和推廣已成為保障社會(huì)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要手段，是我國(guó)《“十二五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)之一。

在我國(guó)，目前符合IEC-IE3效率標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品僅有YE3系列(IP55)超高效三相異步電動(dòng)機(jī)[簡(jiǎn)稱YE3系列(IP55)電動(dòng)機(jī)]。由于該系列產(chǎn)品制造成本較高，在實(shí)行推廣中會(huì)大大增加企業(yè)的生產(chǎn)制造壓力。通過市場(chǎng)調(diào)研了解到，一部分電動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，其運(yùn)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(jí)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(dòng)機(jī)的溫升，減少制造成本。在美國(guó)，NEMA電動(dòng)機(jī)就有ODP(開啟式)結(jié)構(gòu)和TEFC(封閉式)結(jié)構(gòu)。國(guó)外對(duì)于高效電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)思想就是物盡其用，會(huì)根據(jù)不同的運(yùn)行工況來選取適合的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，從而合理控制電動(dòng)機(jī)的制造成本。因此，針對(duì)生產(chǎn)、制造IE3以上效率的電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)開發(fā)IP23防護(hù)結(jié)構(gòu)的系列產(chǎn)品，是一種切實(shí)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(dòng)機(jī)能效分級(jí)(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(dòng)機(jī)，其中就包含了IP23防護(hù)結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)能效分級(jí)。IEC標(biāo)準(zhǔn)的頒布給YE3系列(IP23)三相異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)基本參數(shù)如下： 機(jī)座號(hào)為H160～H355；功率等級(jí)為4～355kW；極數(shù)為2～8極；防護(hù)等級(jí)為IP23；電壓和頻率為380V/50Hz；安裝方式為IMB3；傳動(dòng)方式為聯(lián)軸器連接傳動(dòng)。

2 型 譜

繼Y系列之后聯(lián)合設(shè)計(jì)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(jì)。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(dòng)機(jī)的成本控制而“獨(dú)辟蹊徑”。YE3系列(IP23)三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)座號(hào)與轉(zhuǎn)速及功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系與YE3系列(IP55)三相異步電動(dòng)機(jī)基本一致，如表1所示。

表1 機(jī)座號(hào)與轉(zhuǎn)速及功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 效率指標(biāo)

YE3系列(IP23)超高效三相異步電動(dòng)機(jī)的效率值達(dá)到IEC 60034-30-1—2014旋轉(zhuǎn)電機(jī) 第30-1部分： 電網(wǎng)供電的交流電動(dòng)機(jī)能效分級(jí)(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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的三圓尺寸與國(guó)內(nèi)高效率三相異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的定子沖片

電動(dòng)機(jī)的槽配合不僅與電動(dòng)機(jī)的電磁噪聲有很大關(guān)系，對(duì)電動(dòng)機(jī)雜散損耗的影響也很大。實(shí)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(dòng)機(jī)的雜散損耗試驗(yàn)值要小，選用合適的槽配合和斜槽，對(duì)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(dòng)機(jī)的槽配合

5 系列產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

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

圖1 電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖

電機(jī)的整體通風(fēng)方式是由電機(jī)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(jī)座的軸向通風(fēng)道并由機(jī)座中間的出風(fēng)口出風(fēng)，如圖2所示。

圖2 電機(jī)的通風(fēng)方式示意圖

設(shè)計(jì)時(shí)，采用了Solidworks三維建模輔助設(shè)計(jì)和ANSOFT分析軟件,對(duì)通風(fēng)情況進(jìn)行模擬，提高通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)進(jìn)行熱交換，倘若改變電機(jī)的安裝結(jié)構(gòu)也能保證電機(jī)整體進(jìn)風(fēng)的平衡。

5.2 主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1) 機(jī)座設(shè)計(jì)。在滿足電機(jī)安裝尺寸要求的前提下，為滿足YE3系列(IP23)電動(dòng)機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)的要求，經(jīng)充分考慮后決定盡可能將機(jī)座上的出風(fēng)口設(shè)計(jì)到最大。同時(shí)，分析了Y系列(IP23)的機(jī)座結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)功率較小的電動(dòng)機(jī)其機(jī)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(shí)也發(fā)現(xiàn)，由于鑄件工藝等問題，對(duì)于內(nèi)徑較小的機(jī)座，在運(yùn)行測(cè)試時(shí)感覺機(jī)座上半部出風(fēng)口的實(shí)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(jì)時(shí)，對(duì)小功率機(jī)座只采用兩側(cè)下部出風(fēng)的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了機(jī)座上半部的設(shè)計(jì)；但隨著功率的增大，為保證出風(fēng)量，依舊沿用機(jī)座兩側(cè)上、下部均有出風(fēng)口的結(jié)構(gòu)；在機(jī)座設(shè)計(jì)時(shí)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(jī)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(jī)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(jī)座需要在出風(fēng)口處配上網(wǎng)罩以滿足防護(hù)等級(jí)。機(jī)座與有繞組定子鐵心通過機(jī)座內(nèi)的軸向筋配合固定，設(shè)計(jì)時(shí)要保證筋與機(jī)座內(nèi)壁有一定的高度(宜為20～30mm)才能使機(jī)座內(nèi)通風(fēng)順暢；機(jī)座長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)基于該系列中最大功率(不包含擴(kuò)大功率)情況下的有繞組鐵心長(zhǎng)度，同時(shí)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(jī)的出線窗口能左、右互換，機(jī)座的出風(fēng)窗口保持中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但底腳安裝尺寸(B和C尺寸)并不是中心對(duì)稱設(shè)計(jì)，因此要在機(jī)加工之前確保出線方向的位置。

(2) 端蓋設(shè)計(jì)。為保證新設(shè)計(jì)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)端蓋設(shè)計(jì)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(jiǎn)化后的軸承外蓋與端蓋做成了一體式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這樣的端蓋設(shè)計(jì)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(duì)于軸向需要安裝波形彈簧片、擋圈、甩油盤等零件時(shí)，要注意先后安裝順序，會(huì)增加電機(jī)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(jī)座結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的端蓋結(jié)構(gòu)也會(huì)略有不同。中心高H160～250的端蓋與機(jī)座配合是利用了機(jī)座45°方向上的四根橫向筋，水平和垂直四個(gè)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(gè)螺栓與機(jī)座配合，在端蓋內(nèi)有6個(gè)突出的小搭子來安裝、固定擋風(fēng)板，電機(jī)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(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到出線端與非出線端的繞組端部離開機(jī)座的軸向尺寸保持一致，因此除了中心高225以下2極電機(jī)各規(guī)格有繞組鐵心在機(jī)座中心對(duì)稱位置以外，其余規(guī)格的有繞組鐵心均偏離機(jī)座中心有一定的距離，具體距離視繞組出線端長(zhǎng)度而定。

(4) 改變定子繞組端部長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)。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(zhǎng)不變的情況下，針對(duì)2極、4極電動(dòng)機(jī)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(zhǎng)度縮短5～40mm不等，能很大程度縮短機(jī)座的長(zhǎng)度，對(duì)提升電動(dòng)機(jī)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(shí)際運(yùn)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(dòng)機(jī)的定子繞組端部長(zhǎng)度，如表5所示。

表5 全系列定子繞組端部長(zhǎng)度 mm

5.3 產(chǎn)品主要傳動(dòng)件的校核以及軸承的選用

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

軸的設(shè)計(jì)包括軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軸的計(jì)算。軸的計(jì)算包括軸的強(qiáng)度計(jì)算、軸的剛度計(jì)算、軸的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算。本次僅對(duì)軸的剛度和軸的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算。

軸在載荷的作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，當(dāng)這些變形超過某個(gè)允許值時(shí)，會(huì)使機(jī)器的零部件工作狀況惡化，甚至使機(jī)器無法正常工作，故對(duì)精密機(jī)器的傳動(dòng)和對(duì)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(duì)全系列電機(jī)轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行核算，計(jì)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(zhǎng)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(gè)中心高相差的最大，因此選取這三個(gè)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(duì)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(jī)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(yàn)，一般轉(zhuǎn)子的撓度占單邊氣隙的百分?jǐn)?shù)在10%以下。計(jì)算結(jié)果顯示18個(gè)規(guī)格中，撓度y與電機(jī)的氣隙值δ的比值在 5%～ 6%之間的有3個(gè)規(guī)格，在3%～5%之間的有4個(gè)規(guī)格，其余11個(gè)規(guī)格均在3%以下。

(2) 軸承的選用。軸承是電機(jī)重要的傳動(dòng)部件之一。選用軸承一般根據(jù)負(fù)載的傳動(dòng)方式、機(jī)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(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合YE3系列(IP23)電動(dòng)機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)以及端蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)于2極電機(jī)，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(jī)擋風(fēng)板內(nèi)徑要比軸承內(nèi)蓋的外徑還小，會(huì)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(jī)試制情況

項(xiàng)目組結(jié)合IP23電動(dòng)機(jī)的訂貨情況，靈活制訂了樣機(jī)的試制規(guī)格，完成了8個(gè)規(guī)格13臺(tái)樣機(jī)的試制。樣機(jī)的極數(shù)為4P～8P，功率等級(jí)為 11～160kW，機(jī)座號(hào)為H160～H315，樣機(jī)試制性能數(shù)據(jù)匯總，如表7所示。通過樣機(jī)試制，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

表7 樣機(jī)試制性能數(shù)據(jù)匯總

續(xù)表

7 結(jié) 語(yǔ)

YE3系列(IP23)三相異步電動(dòng)機(jī)的開發(fā)，旨在通過改變電動(dòng)機(jī)的防護(hù)結(jié)構(gòu)，提高電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和占有率，逐步縮小與歐美市場(chǎng)電動(dòng)機(jī)占有率的差距。該系列產(chǎn)品的推廣對(duì)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(chǎng)應(yīng)用前景。

[1] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京： 機(jī)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(jī)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?yàn)楦咝Ч?jié)能三相異步電動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品的開發(fā)。 湯惠明(1967—)，女，工程師，研究方向?yàn)橹行⌒碗姍C(jī)研發(fā)。

TM 301

A

1673-6540(2017)02- 0078- 00

2016-11-15