高功率密度高效率高壓三相異步電動機的研制

鄧堯強， 鄭國麗， 周黎民， 于 冰， 王 偉， 董江東

(中車株洲電機有限公司， 湖南 株洲 412001)

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高功率密度高效率高壓三相異步電動機的研制

鄧堯強， 鄭國麗， 周黎民， 于 冰， 王 偉， 董江東

(中車株洲電機有限公司， 湖南 株洲 412001)

以YGKK450-4-1720 kW-6kV電機為例，介紹了高功率密度高效率高壓三相異步電動機的研制過程及其試驗結(jié)果。針對高功率密度和高效率等特點，提出了一些應(yīng)對措施，如對電磁參數(shù)、內(nèi)外風(fēng)路結(jié)構(gòu)、定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化和仿真分析。通過試驗及與類似電機的對比，說明了優(yōu)化仿真計算的正確性，以及YGKK450-4-1720 kW-6kV電機的先進(jìn)性。

高功率密度； 高壓三相異步電機； 小機座； 優(yōu)化設(shè)計

0 引 言

電機作為各種設(shè)備的動力源，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如驅(qū)動壓縮機、水泵、風(fēng)機等機械設(shè)備。近年來，隨著財政部、國家發(fā)展改革委員會于2010年5月31日下發(fā)的《節(jié)能產(chǎn)品惠民工程高效電機推廣實施細(xì)則》的推行，高效率電機國家標(biāo)準(zhǔn)如GB 30254—2013《高壓三相籠型異步電動機能效限定值及能效等級》等的頒布和實施，高效率高壓電動機逐漸得到廣大用戶、社會和企業(yè)的認(rèn)可和接受。

中車株洲電機有限公司研制的YGKK450-4-1720kW-6kV型高功率密度高效率高壓三相異步電動機，順應(yīng)了這一潮流。與普通高效率高壓電機相比，它具有輸出功率大、小機座、噪聲低和效率高等特點，跨入國內(nèi)先進(jìn)水平的行列。按照機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10315.2—2002，6000V、4極、1720kW封閉式電機應(yīng)安排在H630中心高機座，現(xiàn)在降低3個中心高安排在H450機座，這就要求必須采取足夠的措施來保證電機在機械和電氣等方面的可靠性，并確保各項指標(biāo)的實現(xiàn)。

1 電機的電磁參數(shù)

由電機設(shè)計[1-5]可知,在電機中心高一定的情況下，要想增加電機的容量，可以從兩方面入手： 一方面可增加鐵心的體積，包括加大鐵心外徑和長度；另一方面可增加電磁負(fù)荷。該電機的鐵心尺寸和電磁負(fù)荷如表1、表2所示。

表1 電機鐵心尺寸

由文獻(xiàn)[6-7]可知，采用磁性槽楔能降低電機的表面損耗和脈振損耗，提高電機的效率。該電機在方案設(shè)計之初，采用有限元分析對磁性槽楔和非磁性槽楔的作用進(jìn)行了計算。結(jié)果如表3所示。由表3可知，采用磁性槽楔的總損耗比非磁性槽楔的總損耗減少了5.2kW；并且磁性槽楔主要對由于磁勢諧波引起的空載導(dǎo)條損耗Eddy Loss、空載轉(zhuǎn)子損耗Core Loss和由磁勢諧波引起的負(fù)載導(dǎo)條損耗Eddy Loss起作用，對負(fù)載定子繞組損耗Strand Loss和負(fù)載鐵耗Core Loss作用不明顯。

表2 電機電磁負(fù)荷

表3 磁性槽楔和非磁性槽楔對電機損耗的影響 kW

為了查找損耗更低的方案，定子槽數(shù)選取了72槽和60槽，轉(zhuǎn)子槽數(shù)選取了58槽和50槽，組成了槽配合[8]72/58和60/50；轉(zhuǎn)子導(dǎo)條型式分別選擇鑄鋁和銅條；氣隙長度[9]選擇1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、3.0、5.0mm，組合成了28種組合，利用有限元分析軟件對電機的損耗進(jìn)行了計算。根據(jù)損耗較低的原則，并綜合考慮電機的性能(如功率因數(shù))、成本和溫升等因素，最終選擇了定子72槽、轉(zhuǎn)子58槽，銅條轉(zhuǎn)子，氣隙長度2.8mm的電磁方案。限于篇幅，下面以氣隙長度的選擇為例進(jìn)行說明。

從圖1可見，在其他參數(shù)一定的情況下，電機損耗(不含機械損耗)隨著氣隙長度的增加而降低。圖1中有一個明顯的拐點，在拐點以前，電機損耗降低較快；在拐點以后，電機損耗降低較慢。隨著氣隙長度的增加，電機的功率因數(shù)急劇降低，如圖2所示。電機的功率因數(shù)應(yīng)不小于0.88，故電機的氣隙長度取2.8mm較好。

2 風(fēng)路結(jié)構(gòu)優(yōu)化

該電機的冷卻方式為IC611，其冷卻風(fēng)路包括內(nèi)風(fēng)路和外風(fēng)路兩條冷卻支路。冷卻系統(tǒng)的優(yōu)劣關(guān)系到電機設(shè)計的成敗，并顯著影響到電機的溫升、機械損耗和噪聲。在電機的損耗大幅增加的情況下，為了使電機的溫升合格，機械損耗和噪聲較低，在技術(shù)設(shè)計階段，進(jìn)行了通風(fēng)方式的選擇、冷卻器管徑和排列方式的選擇、外風(fēng)扇的優(yōu)化、徑向通風(fēng)道數(shù)量和布置、降低噪聲等一系列工作。這些在文獻(xiàn)[10]中有詳細(xì)敘述。

圖1 電機損耗(不含機械損耗)和氣隙長度關(guān)系圖(鑄鋁轉(zhuǎn)子、定轉(zhuǎn)子槽配合72/58)

圖2 電機功率因數(shù)和氣隙長度關(guān)系圖(鑄鋁轉(zhuǎn)子、定轉(zhuǎn)子槽配合72/58)

在最后選定的方案中，通風(fēng)方式選定為軸徑向混合通風(fēng)，外風(fēng)扇采用弧形葉片后傾式風(fēng)扇，鐵心徑向風(fēng)道數(shù)量為20個，寬度為8mm。電機的機械損耗如表4所示。

表4 電機的機械損耗 kW

因為內(nèi)風(fēng)路安裝有外徑較大的內(nèi)風(fēng)扇，所以內(nèi)風(fēng)路損耗比外風(fēng)路大得多。與YKK630-4-1800kW-10kV電機相比，機械損耗大大降低，直接有利于電機效率的提升。該電機機械損耗的降低一方面得益于外風(fēng)路結(jié)構(gòu)和各部件的優(yōu)化；另一方面得益于機座中心高降低而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子外徑和風(fēng)扇外徑的大幅減小。

3 電機結(jié)構(gòu)

電機的結(jié)構(gòu)跟普通高壓電機一樣，由冷卻器、機座、定子、轉(zhuǎn)子、軸承、端蓋、內(nèi)外風(fēng)扇等部件組成。

外風(fēng)扇為弧形葉片后傾式，進(jìn)風(fēng)罩采用漸開線式結(jié)構(gòu)；外部空氣由進(jìn)風(fēng)罩兩側(cè)及下部進(jìn)入，拐彎90°后才進(jìn)入外風(fēng)扇入口；冷卻器出口帶出風(fēng)罩，并在相關(guān)部位埋設(shè)了吸音材料。這樣電機具有較小的機械損耗和噪聲水平。

定子鐵心和機座采用外壓裝式結(jié)構(gòu)。定子繞組是普通雙層疊繞短距分布繞組；機座是鋼板焊接結(jié)構(gòu)。利用有限元分析軟件對機座的模態(tài)、動靜強度、機座和鐵心傳遞最大轉(zhuǎn)矩所需的最小過盈量等進(jìn)行了分析計算，在滿足電機要求的情況下將機座重量由1052kg減至879kg。定子第一階模態(tài)頻率為81Hz，遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子由不平衡量和單邊磁拉力引起的頻率為25Hz的周期激勵，保證電機的安全運行。由于電機鐵心較長，還對定子鐵心的剛度、撓度等進(jìn)行了計算。

軸承結(jié)構(gòu)采用兩軸承結(jié)構(gòu)，均為球軸承，前端為固定端，后端為自由端，并由6個彈簧對它施加一定的預(yù)緊力，以降低軸承噪聲。

轉(zhuǎn)子采用銅條轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。經(jīng)計算其撓度為9.06%，臨界轉(zhuǎn)速為2711r/min。由于電機輸出功率增加很多，普通的35鋼軸伸的疲勞強度已不能滿足要求，轉(zhuǎn)軸材料需采用合金鋼；但合金鋼對應(yīng)力集中更為敏感，因此需采取措施降低轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力集中系數(shù)，如各退刀槽可采用應(yīng)力集中系數(shù)較小的型式，并適當(dāng)提高加工粗糙度。

4 試驗結(jié)果

該電機在試制完成后，進(jìn)行了一系列的型式試驗和研究性試驗，以驗證電磁計算和有限元計算結(jié)果的正確性。制造時，在鐵心表面、繞組層間和軸承內(nèi)埋設(shè)了共52個PT100測溫元件，用以檢測電機穩(wěn)定運行時各部分的溫度。試驗數(shù)據(jù)分為性能數(shù)據(jù)、溫升數(shù)據(jù)兩大類，如表5、表6所示。

表5 電機部分性能的計算值和試驗值對比

溫升數(shù)據(jù)比較多，只摘錄電機繞組中間部位的6點溫升、繞組平均溫升、軸承溫升列于表6中。從表6中可以看出，溫升試驗值和仿真值很接近，達(dá)到了預(yù)期效果。軸伸端軸承因處于內(nèi)風(fēng)路的高溫氣流出口處，所以溫升較高。

表6 電機部分溫升計算值和試驗值對比 K

對于負(fù)載雜散損耗取值，第一種是采用GB/T 1032—2012《三相異步電動機試驗方法》的推薦值(E1法)；另一種是應(yīng)用GB/T 1032—2012中的“抽出轉(zhuǎn)子試驗和反轉(zhuǎn)試驗法”測定電機實際的負(fù)載雜散損耗(E法)。因而電機的效率也有兩種，如表7所示。

表7 電機的效率

用E1法測得的電機效率達(dá)到了GB 30254—2013《高壓三相籠型異步電動機能效限定值和能效等級》中規(guī)定的Ⅱ級能效(效率≥95.96%)的要求；而用E法測得的電機效率則達(dá)到了Ⅰ級能效(效率≥96.66%)的要求。

電機重量比相近功率的H560電機減少了24.8%，而比H630電機則減少了42.8%，效果十分明顯。如表8所示。

表8 電機的重量 kg

5 結(jié) 語

YGKK450-4-1720kW-6kV電機的特點是輸出功率大、體積小、效率高和噪聲低，達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平，具有廣闊的市場前景。電機在研制過程中，采用有限元方法和流體場仿真分析分別對某些關(guān)鍵參數(shù)和通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化、分析和計算，以達(dá)到降低損耗、提高效率、確保溫升合格的目的；最后介紹了電機的試驗數(shù)據(jù)和計算值的對比結(jié)果。從試驗數(shù)據(jù)來看，電機的各項性能尤其是效率、溫升等指標(biāo)基本達(dá)到了預(yù)期要求。

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High Power Density and Efficiency Design of High-Voltage Three-Phase Asynchronous Motor

DENGYaoqiang，ZHENGGuoli,ZHOULimin，YUBing，WANGWei，DONGJiangdong

(CRRC Zhuzhou Electric Co., Ltd., Zhuzhou 412001, China)

Taking a motor YGKK450-4-1720kW-6kV as an example， the high power density and efficiency design of high-voltage three-phase asynchronous motors was introduced， and introduce the test result of the motor was introduced. Aiming at the characteristics of such as high power density and efficiency， some corresponding methods were presented， for example，the optimization and emulation of electromagnetism parameters and wind path structure and stator-rotor structure. By making a contrast with the test results and similar motors，explained the correctness of optimization and emulation，the advanced of the motor.

high power density； high-voltage three-phase asynchronous motor； small frame； optimization design

鄧堯強(1970—)，男，高級工程師，研究方向為高低壓三相異步電機設(shè)計。

TM 343

A

1673-6540(2016)10- 0053- 04

2016-03-25