(山西電機制造有限公司，山西太原 030000)

0 引言

目前在役的Y3、YX3、YE3(Y2的衍生產品)，以及YB2、YB3(Y2的派生產品)均源于上個世紀九十年代問世的Y2系列電機。它們在功率等級、安裝尺寸，及二者間的對應關系；以及電機的總體結構，特別是展現(xiàn)在鑄鐵機座特征上的通風散熱模式與Y2基本相同。因此，對Y2的討論可以代表其衍生及派生的產品。

本文針對Y2及其衍生、派生產品服役20余年在設計、制造、使用中發(fā)現(xiàn)的影響著電機成本、性能指標、制造質量及實際節(jié)能效果的主要問題，側重研討表1所列的由設計、制造、使用左右的與成本、性能息息相關的課題，使電機既提高設計、制造水平；降低制造成本；在節(jié)電的同時又能保證安全運行，讓供需雙方均受益。

表1 Y2及其衍生、派生產品服役中有待研討的課題

1 通風散熱[1]

通風散熱模式關系到電機的技術、經濟指標；電機的整體質量水平；使用維護；直至電機的壽命。

1.1 機座散熱片

1.1.1 散熱片排列方式

Y2及其衍生、派生產品采用的模式—散熱片呈平行垂直排列，在散熱效果上不如Y系列—散熱片按傳統(tǒng)的輻射狀排列比較好。

由于Y2溫升吃緊，Y3將定子繞組電流密度J1(A/mm2)下調。

如280M1-4,90kW, Y2J1=4.05, Y3J1=3.87。

1.1.2 排列方式不便于清理污垢

與傳統(tǒng)的機座相比，Y2的散熱片排列方式，在使用中不便于清理機座上的污垢，它是電機發(fā)熱的隱患。

1.1.3 廢品率偏高

Y2的散熱片排列方式，使局部片高高于60mm(散熱片高于40 mm時，散熱效果已不明顯)，增加了造型的困難，廢品率偏高。據(jù)市場調查發(fā)現(xiàn)，因散熱片排列使廢品率偏高的原因，Y2鑄鐵機座每噸比傳統(tǒng)機座(YR仍在用)貴約50元。

散熱片呈平行垂直排列的機座源于法國，其主旨是便于機械化造型，節(jié)省工時(散熱片按傳統(tǒng)的輻射狀排列的機座也可以設計成機械化造型的)。在材料與工時這兩個構成電機成本的基本要素上，在歐洲，材料 ：工時≈4：6；而國內，材料 ：工時≈6：4。應針對國情，考慮整體效益，采用機座散熱片的排列方式。

1.2 內循環(huán)風路未達到預想的效果

≥315機座號的電機，機座上帶4個軸向通風道：前端轉子上的鋁風葉(相當于離心式內風扇)吹出的氣流，與后端內風扇吹入風道中從前端排出的氣流方向相反，使通風散熱效果打了折扣。該結構通風散熱的實測結果見表2。

表2 對Y2、YX3及其派生產品( 均為“緊湊型”)軸向風道外表面溫度的測試結果

注：1. 溫度采用紅外線槍測得；2. 序號10電機為6000V鋼板機座,其余為380V鑄鐵機座。

表中所列電機，就通風散熱結構而言，基本上可以代表Y2、Y3、YX3、YE3及其派生的315～500機座號的產品。按其通風散熱結構，設計思路是：內風路在流經軸向風道時，應將內腔的熱量在風道中散掉一部分，使內腔溫度降低。但實測卻得到相反的結果：內風路在從非軸伸端(外風扇端)流向軸伸端時溫度卻升高了5℃～12℃，平均升高10.4℃。此外，熱氣流吹到軸伸端的軸承處時，對軸承壽命也有影響。

1.3 高壓電機繞組的端部處理影響通風散熱

高壓電機繞組端部的處理，從提質、降耗，通風散熱上考慮，主要存在3個問題。

1.3.1 端部線圈間的間隙偏小

線間間隙在設計程序中按輸入數(shù)據(jù)輸送到電腦中。有的設計人員為縮短端部長度將高壓電機應不小于5mm，選到2～3mm，不利于該處的通風散熱。

1.3.2 端部絕緣層偏厚

端部絕緣層偏厚，除浪費材料外，同樣影響散熱。端部絕緣厚度是槽部的70%左右即可。

1.3.3 端部綁扎

端部線圈間最好加墊塊，以保證線圈間有足夠的風道寬度。端部的通風散熱對電機溫升起著一定的影響，特別是2極、4極電機，端部在整個繞組中占的比例較大。改進 端部的通風散熱，可以提高J1(A/mm2)，收到節(jié)省銅線的效果。

1.4 離心式風扇盡量選用后傾式的

風葉后傾的離心式風扇比可以以正反轉的離心式風扇損耗小，設計員都清楚。但用戶為了方便，不用考慮電機轉向，愿意要正反轉的。若電機拖動的只是單方向運轉的負荷，比如離心式、軸流式風機、水泵、油泵，等等。如果功率比較大，且接近連續(xù)運行，選用后傾式風扇，其節(jié)電效果也是可觀的。這需要電機的廠家在招標時向買家宣傳，達成節(jié)電的共識。

2 機座變形

2.1 電機機座號與定子鐵心外徑的匹配

有的設計，為了磁負荷的需要，將定子鐵心外徑選的過大，偏離了匹配關系。如：在355機座號上選用φ650的沖片外徑；在400機座號上選用φ740的沖片外徑，使機座下部空間變得很小，散熱片的高度很矮(它們兼起增加機座強度的作用)，下部很單薄，機座容易變形。

2.2 機座時效不到位

鑄鐵機座不容易變形，因此近年來大部分廠家的鑄鐵機座都由專業(yè)的鑄造廠供貨。這些廠家為提高效率，澆注后很快就打箱，鑄件沒有足夠的“悶火”時效時間。有時鑄件送到加工廠還是熱的。

鑄件加工中存在的內應力要經過較長一段時間才能逐漸地釋放出來，所以在機械加工中不容易察覺到因內應力的存在產生的變形。但它的危害則不容忽視：由于變形，使原本加工好的機座的同軸度破壞了，使兩端止口不同軸。裝成的電機兩端的軸承也不同軸，它是電機產生振動、噪聲、軸承過早的損害的禍根。因軸承出問題返修的電機一直居高不下。

機座變形另一個隱患是使定子鐵心受到局部擠壓而變形，容易產生定、轉子相擦的故障。在因此而返修的電機上，測量其定子鐵心內徑，明顯地成了橢圓。

電機一經三包返修，不但成本增加，還會造成機座變形，影響企業(yè)提質、降耗，為企業(yè)帶來利益及聲譽的損失。

若金工加工好的機座，或裝成成品的電機，放在平臺上呈“三條腿”狀態(tài)，就是變形了。

3 同軸度

同軸度由機座、端蓋、轉子三大件保證。若定轉子不同軸，要產生振動、噪聲，軸承也容易過早地損壞。這應該是容易解決的問題。但由于零、部件變形作祟，使原本加工合格的零、部件到電機總裝時也變了，使得出廠的電機被“莫名其妙”地退回返修。因為到電機總裝時，同軸度的問題不容易察覺，也容易被忽略。這就是本文將一個看似簡單，實則很重要的問題，當作一個課題列出來的初衷。企業(yè)務必有行之有效的質量保證措施。

4 軸承結構[2]

電機行業(yè)將軸承連同與它相配合的零部件合在一起稱為“軸承結構”，本文也不例外。在設計、制造、使用中，把握住5個環(huán)節(jié)就能基本上保障軸承地安全運轉。

4.1 軸承在軸承室中不能處于過盈狀態(tài)

軸承靠其游隙保障正常工作。其游隙有三種：軸承出廠時的游隙，稱原始游隙；裝到電機上存在的游隙稱裝配游隙；電機運行時存在的游隙稱工作游隙。這三個游隙一個比一個小。若電機裝配時，軸承在軸承室中已呈過盈狀態(tài)，則很難保證其安全運轉。軸承室內徑公差的上下差均應選用“+”。

4.2 軸承的搭配要能保證轉子自由蠕動

為保證電機在工作中轉子能自由蠕動，對于臥式電機最好選用一個單列向心球軸承，一個短圓柱滾子軸承。若選用兩個單列向心球軸承，很難將電機工作中轉子產生的熱膨脹“消化”掉，使軸承的滾珠承受額外的軸向力而過早地損壞。

轉子工作時產生的熱膨脹量可按下式計算

Δl=0.0000117(t2-t1)l

式中，t2—熱態(tài)時轉軸溫度 (℃)；t1—電機裝配時環(huán)境溫度 (℃)；l—軸承距 (mm)。

經測算，裝到電機上形成的裝配游隙，以及運行時形成的工作游隙均小于Δl值，這就意味著軸承將承受額外的軸向力而加速損壞。

若選用一個球軸承、一個圓柱軸承則可以避免上述現(xiàn)象。為了使圓柱軸承的極限轉速能與球軸承匹配，可選輕系列的短圓柱滾子軸承。

4.3 慎用“三軸承”

“三軸承”指的是電機的一端用兩套軸承：一套向心球軸承、一套短圓柱滾子軸承；另一端用一套短圓柱滾子軸承。該結構源于西德，為減少因隔爆等級高，軸承內蓋與轉軸間隔爆間隙過小而招致內蓋與軸相擦的故障而采取的措施。意在讓向心球軸承僅承受軸向力和軸向定位；短圓柱滾子軸承僅承受徑向力和徑向定位。但若將此結構用在隔爆等級較低，甚至用在普通的封式電機上，則大可不必。對于絕大部分臥式電機，選用兩套軸承：一套向心球軸承、一套短圓柱滾子軸承，在國內外已有幾十年成熟的使用經驗。

“三軸承”有三個缺點：容易發(fā)熱、不便拆裝、浪費一套軸承。

4.4 軸承室要加強密封，且能含住潤滑脂

軸承室密封的重要性，此不贅述。帶內風扇的產品，啟動瞬間容易將潤滑脂吸到電機內腔，設計時應采取相應的措施。

軸承在工作中只是一層脂膜起潤滑作用，只要它不流失、不變質，軸承就能一直正常運轉。全封閉軸承就是按照這一機理而設計。因此，設法“含”住潤滑脂，比如加擋油盤，就是比較實用的結構。

4.5 軸承處要做好通風散熱，確保電機正常運行。

5 設計

通風散熱及軸承結構均與設計有關，因其對電機性能、質量影響較大，且篇幅較長，故另立了條款闡述。

5.1 電磁設計

5.1.1 顧及使用中的實際節(jié)能效果

電機在使用中的實際節(jié)能效果體現(xiàn)在其定子輸入電流I1上。

式中，P—電機的功率；U—電機的電壓；cosφ×η—電機的效率與功率因數(shù)的乘積。

當公式中各參數(shù)的下標標以“N”時，則分別代表各自的額定值。當P、U確定后，I1與cosφ×η成反比，即cosφ×η越大，則I1越小，節(jié)能效果越明顯。Y2及其衍生、派生產品的cosφ不太高。以YX3為例，其與JO2可以直接對比的18個規(guī)格的的平均值(見表3)如下：JO2，cosφ×η=0.8017； YX3，cosφ×η=0.7822。

JO2是上個世紀60年代設計，E級絕緣，熱軋硅鋼片；YX3是本世紀初設計，F(xiàn)級絕緣冷軋硅鋼片。顯然，YX3在提高cosφ上仍有潛力可挖。

5.1.2 精心設計，節(jié)省銅線

定子電密J1標識銅線的耗量，J1大，耗銅量少；反之，則耗銅量多，見表3。

表3 以YX3為例，其與JO2可以直接對比的18個規(guī)格的J1(A/mm2 )、η、cosφ值

18個規(guī)格平均值：JO2，J1=4.7；YX3，J1=4.2。

隨著技術進步，新材料，如5442-1P云母帶、優(yōu)質冷軋硅鋼片等不斷涌現(xiàn)，通過精心設計，YX3的J1可以提高，達到降本的效果。

5.1.3 剔除過剩功能

電機的負荷 、工況不同，對性能的要求也不盡相同：拖動機械設備與拖動風機、泵，對轉矩要求不同；就風機、泵而言，拖動軸流式的與拖動離心式的對轉矩的要求也不一樣：后者對堵轉轉矩Tst要求較高。在大型石化企業(yè)上用的電機，因其網絡容量大，堵轉電流矩Ist稍大一些，無大礙，而在貨場、農村排灌上用的電機，絕對不能超標。

就啟動性能而言，除非特殊設計的產品，如拖動采煤機的高啟動電機，絕大多數(shù)鼠籠型電機的矩Ist與矩Tst是互補的，即想要得到較低矩Ist的，矩Tst也要受點損傷，反之，亦然。因此，設計時，要做到“精心”，不能僅憑技術條件上給出的標準值判定設計方案的優(yōu)劣。比如，對于Y2系列4極的高壓電機，矩Tst的標準值大于0.5～0.8倍額定值即為合格，但若負荷為皮帶運輸機或轉動慣量較大的離心式風機，0.8倍的矩Tst顯然較低，提到大于1.5倍才比較穩(wěn)妥。

對于2、4極拖動軸流泵、風機的電機，轉矩Tst>0.8屬于過剩功能，應下調，挖出的潛力可以補到降低矩Ist上，其轉子槽可由Zc=4(刀形槽)改為Zc=3，后者澆注工藝性好，廢品率低，細條、斷條故障少。

5.1.4 權衡整體性能

設計時，綜上所述，不能僅僅局限在技術指標滿足技術要求上，應推敲參數(shù)的選擇是否能夠獲得較佳的電磁性能。有的參數(shù)，有較佳的值，不宜隨意選取，比如，Y225-4,45kW電機，定子48槽，將定子雙層繞組的節(jié)距選為1-12，短距系數(shù)為11/12，偏離了4/5、5/6最佳值，使氣隙磁場中5次諧波含量高，轉矩—轉差曲線產生較大的凹陷，盡管Tst合格，電機啟動后仍不能正常運行。將短距系數(shù)改為10/12=0.833后，電機投入了正常運行。

其它參數(shù)，如氣隙值、槽配合、齒磁密,及定子鐵心外徑等均有類似問題，應權衡整體性能。

5.2 結構設計

除軸承結構已列入專題條款，針對降低成本，側重討論幾處功能過剩的結構：

5.2.1 帶筋的焊接軸，筋的數(shù)目偏多

筋的數(shù)目3或4個即可。筋與軸相焊時，焊接處的金屬結構要遭受破壞，使該處機械強度降低。幾家電機廠在返修的電機中曾發(fā)現(xiàn)過：軸不是在最細的軸伸處斷裂，而是在較粗的焊筋處斷裂.目前，行業(yè)廠家多采用6根筋，若嫌3～4根筋少，可借助橫向加筋(兼起擋風板作用)補強。

“西屋加拿大”生產的2700kW 6極繞線轉子電機，其焊接軸僅用了三根40mm厚的鋼板筋；日本生產的960kW 6極電機，也只用4根筋。

筋的數(shù)目減少后，不僅節(jié)省了材料、焊條、焊接工時，降低了成本，還減少了轉子風路上的風阻，提高通風效果。

5.2.2 隔爆電機止口處隔爆面可以縮短

目前機座與端蓋止口配合長度均大于25mm，浪費了材料與工時，廢品率也多，該處大于15mm即可。因為，該處的直徑差因同軸度的要求小于0.2mm；機座與端蓋間還有一部分平面接觸面積，它也兼起隔爆面作用。

5.2.3 隔爆電機部分結構件的結構尺寸可以減小

接線盒可以用增安型的。目前隔爆電機的接線盒實在太笨重，萬伏級接線盒的盒蓋需要兩個人抬或者用吊車吊才能裝上。改用增安型的，防爆規(guī)程也允許，材質可以選用玻璃鋼的，輕便、美觀。

接線盒處的安全問題，在電氣間隙、漏電路滿足要求時，主要是密封的問題，這也是國內使用防爆電機的場所容易被忽略、容易出問題之處。因為接線盒也有“呼吸”的功能，密封性差，內腔容易積累冷凝水，導致接線端子間短路放電。若能把握住密封這個環(huán)節(jié)，盒座、盒蓋沒必要做的很笨重。德國防爆電機的接線盒采用鋼板件，其重量不到國內同類產品的1/2。

底腳板過厚，按受力角度設計，可以減薄，特別是隔爆電機。在國內見到德國同類產品的底腳厚度僅為國產的1/2多一點。

6 選型

以下側重剖析、研討電機的使用部門在電機選型、維護上出現(xiàn)的誤區(qū)。

6.1 選型誤區(qū)

選型的誤區(qū)主要出現(xiàn)在石油化工系統(tǒng)對防爆電機的選用上。

6.1.1 防爆電機的防爆型式應與其場所相匹配

在石油化工易燃易爆場所中，絕大部分場所可以選用增安型電機。但目前仍用隔爆型的多，這也和歷史上延續(xù)下來的習慣有關。在購置、更換防爆電機時，原來選用的防爆類型一般都不輕易改動。

6.1.2 隔爆等級偏高

從大慶石油化工總廠編寫的“石油化工隔爆電氣”的材料得到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：ⅡA級防爆場所約占70%[3]，但目前仍以ⅡB級電機居多。

當隔爆電機內腔凈容積大于2000cm3，軸承內蓋與轉子相接合的隔爆面有效長度≥40mm時，內蓋與轉軸間隙的直徑差，ⅡA級隔爆可以0.75mm，ⅡB級則是0.4mm。顯然，在不需要ⅡB級電機的場所堅持選用ⅡB的，而不用ⅡA的，隔爆功能沒必要過剩，剔除這一過剩的功能，選用ⅡA的電機，因其內蓋與軸的間隙可由0.4mm放大到0.75，二者相擦的或然率大大地降低了，使用中反而更安全了。

6.2 軸承選用的誤區(qū)

由于近30年防爆電機行業(yè)一直是買家的市場，廠家為市場考慮，盡量滿足客戶需求?！叭S承”就是一例。買家誤認為“三軸承”好。招標訂貨時，企業(yè)的工程技術人員應該耐心地向買家解釋“三軸承”的弊端。

6.3 軸承加注潤滑脂過頻

如上所述，軸承工作時只是貼近滾道的一層脂膜起作用。潤滑脂過多，軸承容易發(fā)熱。

7 結語

本文探討如何從設計、制造、使用上實現(xiàn)提質、降耗這一用戶、生產廠家十分關切的課題；并強調降低產品故障率對電機的生產廠家及其用戶提高整體效益上的重要性。

(1)電機設計在企業(yè)經營中的提質、降耗及保障電機安全運行上起到責無旁貸的作用。設計人員應從全局利益出發(fā)做到“精心設計”。

(2)制造上應側重保障電機安全運行的幾個重要環(huán)節(jié)。對機座變形、同軸度、繞組浸烘等這些既十分重要，又不容易察覺的關鍵工序要在質量保證系統(tǒng)中予以格外地提示，并有相應的保障措施。

(3)企業(yè)營銷人員或設計人員應在電機使用中的“過剩功能”上與電機買家達成共識。通過宣傳、解釋，使買家對剔除過剩功能(過高的防爆等級、三軸承等)的重要性、現(xiàn)實性予以認可，可以用石化系統(tǒng)或普通工業(yè)用戶在選購電機中由于剔除過剩功能而額外受益的實例說服自己的買家。

(4)減少電機的故障率對電機供需雙方都十分重要：供方，減少返修率，提高企業(yè)的整體效益；需方，減少因電機故障帶來的損失。遼陽石化總廠“常減壓”的現(xiàn)場工人講：因電機故障停車，即便是幾分鐘，造成的損失也遠遠超過電機本身的售價。

(5)通風散熱結構不可掉以輕心：選擇不當，低壓電機J1<3溫升也吃緊；選擇得當，高壓壓電機可以使J1>4，也因此可以節(jié)省40%左右的銅線；10%左右的硅鋼片。