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如何提升电动机高效率?进来看看!

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0 引 言


在工业领域,电动机节能已成为工业节能的关键,目前国家已将电动机能效提升作为工业节能的重点工作来抓。随着节能减排和环境保护的双重压力,高效电动机研发和推广已成为保障社会、经济可持续发展的重要手段,是我国《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》的重点关注点之一。


在我国,目前符合 IEC-IE3 效率标准的电动机产品仅有 YE3 系列(IP55)超高效三相异步电动机[简称 YE3 系列(IP55)电动机]。由于该系列产品制造成本较高,在实行推广中会大大增加企业的生产制造压力。通过市场调研了解到,一部分电动机在实际运行中,其运行工况比较清洁,无特殊粉尘、异常气体及其他有害物质,完全可以采用防护等级为 IP23 的防护结构。在额定功率和效率相同的情况下,该结构拥有更好的散热性,能有效地控制电动机的温升,减少制造成本。在美国,NEMA 电动机就有 ODP(开启式) 结构和TEFC(封闭式)结构。国外对于高效电动机的设计思想就是物尽其用,会根据不同的运行工况来选取适合的电动机结构,从而合理控制电动机的制造成本。因此,针对生产、制造 IE3 以上效率的电动机,设计开发 IP23 防护结构的系列产品,是一种切实有效的降本途径。


1 技术参数


YE3 系列(IP23)三相异步电动机基本参数如下: 机座号为 H160 ~ H355;功率等级为 4 ~355 kW;极数为 2 ~ 8 极;防护等级为 IP23;电压和频率为 380 V/50 Hz;安装方式为 IMB3;传动方式为联轴器连接传动。


2 型 谱


继 Y 系列之后联合设计开发的 Y2、Y3、YX3、YE2 系列产品都没有进行相应 IP23 防护结构的系列产品设计。YE3 系列(IP23)产品也不是为了替代 Y 系列(IP23)产品开发的,是为了探索制造高效率电动机的成本控制而“独辟蹊径”。YE3系列(IP23)三相异步电动机的机座号与转速及功率的对应关系与 YE3 系列(IP55)三相异步电动机基本一致,如表 1 所示。

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3 效率指标


YE3 系列(IP23)超高效三相异步电动机的效率值达到 IEC 60034-30-1—2014 旋转电机 第30-1 部分: 电网供电的交流电动机能效分级(IE代码)规定的 IE3 效率标准,其效率保证值,如表2 所示。

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4 三圆尺寸和槽配合


为了提高产品的通用化,减少企业的制造成本,YE3 系列(IP23)三相异步电动机的三圆尺寸与国内高效率三相异步电动机的参数基本保持一致,如表 3 所示。

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电动机的槽配合不仅与电动机的电磁噪声有很大关系,对电动机杂散损耗的影响也很大。实践证明基本上是定转子槽数增多,且转子槽数少于定子槽数的电动机的杂散损耗试验值要小,选用合适的槽配合和斜槽,对降低电磁噪声和杂散损耗同样重要,如表 4 所示。

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5 系列产品的结构设计


5. 1 整体结构的设计

YE3 系列(IP23)电动机采用径向通风的整体结构设计,如图 1 所示。

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电机的整体通风方式是由电机旋转后转子两端的风叶产生风压,冷却空气经由前、后端盖底部进风口进风,通过端盖内侧的挡风板进行引流、导风,空气流经绕组后进入机座的轴向通风道并由机座中间的出风口出风,如图 2所示。


设计时,采用了 Solidworks 三维建模辅助设计和 ANSOFT 分析软件,对通风情况进行模拟,提高通风结构设计的合理性。该通风结构保证了进风不被遮挡,空气能平顺地流进电机进行热交换,倘若改变电机的安装结构也能保证电机整体进风的平衡。


5. 2 主要部件结构设计

(1) 机座设计。在满足电机安装尺寸要求的前提下,为满足 YE3 系列(IP23)电动机通风结构的要求,经充分考虑后决定尽可能将机座上的出风口设计到最大。同时,分析了 Y 系列(IP23)的机座结构,发现功率较小的电动机其机座出风面积要比相应端盖的进风面积都大,去相关企业调研时也发现,由于铸件工艺等问题,对于内径较小的机座,在运行测试时感觉机座上半部出风口的实际出风集中在出风窗口偏下的位置,且出风量也不大。考虑到上述情况,在设计时,对小功率机座只采用两侧下部出风的结构,简化了机座上半部的设计;但随着功率的增大,为保证出风量,依旧沿用机座两侧上、下部均有出风口的结构;在机座设计时还综合考虑了刚度、铸件变形以及满足防护要求等多重因素。


H160 ~250 中心高的机座整体呈圆形,其出风口分别位于左右两侧的下半部;H280 ~ 355 中心高的机座整体呈方形,其左右两侧的上、下部均有出风口;该结构的机座需要在出风口处配上网罩以满足防护等级。机座与有绕组定子铁心通过机座内的轴向筋配合固定,设计时要保证筋与机座内壁有一定的高度(宜为20 ~30 mm)才能使机座内通风顺畅;机座长度的设计基于该系列中最大功率(不包含扩大功率)情况下的有绕组铁心长度,同时也必须满足底脚安装尺寸(C 和 B 尺寸)以及底脚螺栓扳手空间的需要。


为了提高模具的使用率,考虑电机的出线窗口能左、右互换,机座的出风窗口保持中心对称结构设计,但底脚安装尺寸(B 和 C 尺寸)并不是中心对称设计,因此要在机加工之前确保出线方向的位置。


(2) 端盖设计。为保证新设计的通风结构,电动机端盖设计相较于以前的 Y 系列(IP23)有非常大的区别。以前的端面进风,端盖厚度可以做得很薄,现在是端盖底下进风,为了满足进风量的要求要保证端盖有一定的厚度;另外,由于轴承外盖上无需再采用骨架式油封结构,只需具备一定的挡油功能,因此将简化后的轴承外盖与端盖做成了一体式的结构设计。这样的端盖设计集成通风、加油、卸油等功能为一体,节省轴向距离,更利于空间尺寸的排布,且减少安装操作步骤,但是对于轴向需要安装波形弹簧片、挡圈、甩油盘等零件时,要注意先后安装顺序,会增加电机装配的难度。由于进风窗口较大,为满足防护要求按需配上防护网罩。


根据两种机座结构,设计的端盖结构也会略有不同。中心高 H160 ~ 250 的端盖与机座配合是利用了机座 45°方向上的四根横向筋,水平和垂直四个位置上安装挡风板,垂直位置作为加油、卸油位置;中心高 H280 ~ 355 的端盖安装通过 6个螺栓与机座配合,在端盖内有 6 个突出的小搭子来安装、固定挡风板,电机的加油与卸油也在垂直位置上。


(3) 定子和有绕组铁心的设计。设计时考虑到出线端与非出线端的绕组端部离开机座的轴向尺寸保持一致,因此除了中心高 225 以下 2 极电机各规格有绕组铁心在机座中心对称位置以外,其余规格的有绕组铁心均偏离机座中心有一定的距离,具体距离视绕组出线端长度而定。


(4) 改变定子绕组端部长度的设计。在节材的原则下,为了提高空间利用率,在保证平均半匝长不变的情况下,针对 2 极、4 极电动机改变传统的梭形线圈,部分采用梯形线圈,梯形线圈示意图,如图 3 所示。


采用梯形线圈能使绕组端部的伸出长度缩短5 ~40 mm 不等,能很大程度缩短机座的长度,对提升电动机空间的排布合理性有很大作用。


系列产品中心高 H180 以上所有的 2 极绕组均采用梯形线圈,中心高 H280 以上所有 2、4 极绕组均采用梯形线圈。目前该线圈在实际运用中的反响较好,并有相关工艺文件来指导规范操作和生产。YE3 系列(IP23)超高效电动机的定子绕组端部长度,如表 5 所示。

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5. 3 产品主要传动件的校核以及轴承的选用


(1) 轴的刚度计算。转轴是电机的重要零件之一,既要支撑各种转动零部件的重量又要传递转矩、输出机械功率,因而转轴的刚度计算就尤为重要。


轴的设计包括轴的结构设计和轴的计算。轴的计算包括轴的强度计算、轴的刚度计算、轴的临界转速计算。本次仅对轴的刚度和轴的临界转速进行计算。


轴在载荷的作用下会产生弯曲和扭转变形,当这些变形超过某个允许值时,会使机器的零部件工作状况恶化,甚至使机器无法正常工作,故对精密机器的传动和对刚度要求高的轴,要进行刚度校核,以保证轴的正常工作。轴的刚度分为扭转刚度和弯曲刚度两种,前者以扭转角 θ 来度量,后者以挠度 y 来度量。


通过对全系列电机转轴的扭转刚度进行核算,计算结果显示全系列轴的扭转角 θ 均小于许用扭转角 θ P =0. 25° ~0. 5°,所有轴伸均满足扭转刚度要求。


比较全系列轴承档长度后发现,中心高H160 ~ H280以上的 YE3 系列(IP23)的轴承档均大于 YE2 系列(IP55) 的轴承档,其中以 H160、H225、H280 这三个中心高相差的最大,因此选取这三个中心高最大功率的产品来进行轴的挠度以及临界转速的校核,并且对 H315、H355 的大功率产品也一并进行弯曲刚度的校核。挠度 y 与电机的气隙值 δ 的比值是判断转轴挠度是否在允许的范围之内的指标;按照经验,一般转子的挠度占单边气隙的百分数在 10% 以下。计算结果显示 18个规格中,挠度 y 与电机的气隙值 δ 的比值在5% ~ 6%之间的有 3 个规格,在 3% ~5% 之间的有 4 个规格,其余 11 个规格均在 3%以下。


(2) 轴承的选用。轴承是电机重要的传动部件之一。选用轴承一般根据负载的传动方式、机型、工作条件、可靠性要求及轴承的转速 n 等因素。


根据高效电动机的设计经验,结合 YE3 系列(IP23)电动机通风结构以及端盖结构设计的特性,全系列采用 C3 游隙,除中心高 H160-2 以外,前轴承均采用宽度系列 3 系列;对于 2 极电机,尽量保持轴伸端与非轴伸端的轴承选型一致,部分小功率的 2 极电机挡风板内径要比轴承内盖的外径还小,会致使装配发生困难,因此将受力情况良好的后轴承改用宽度系列为 2 的轻载系列轴承;另外,中心高 H315、H355 的 4 极及以上采用圆柱滚子轴承;各中心高的轴承规格与 YE2 系列(IP55)的轴承规格比较,如表 6 所示。

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6 样机试制情况


项目组结合 IP23 电动机的订货情况,灵活制订了样机的试制规格,完成了 8 个规格 13 台样机的试制。样机的极数为 4P ~8P,功率等级为11 ~160 kW,机座号为 H160 ~ H315,样机试制性能数据汇总,如表 7 所示。通过样机试制,验证了设计的合理性,达到了预期目标。

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7 结 语


YE3 系列(IP23)三相异步电动机的开发,旨在通过改变电动机的防护结构,提高电动机的自身散热性能,在达到 IE3 标准效率要求的基础上,减少有效材料的用量,缓解产品制造成本的增加,提升超高效率电动机的市场竞争力和占有率,逐步缩小与欧美市场电动机占有率的差距。该系列产品的推广对高效、超高效产品的节能、节材起到很大的促进作用,在工业领域有着广泛的市场应用前景。


(来源 旺材电机)



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