YX400-4 6 kV 1級能效高壓箱式電機研制

王文濤， 安震東

(蘭州電機股份有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

近年來，中國越來越重視環境保護，多次提出減排減碳目標。工業節能在其中具有非常重要的意義。工業領域內電機是用電最大的耗電設備，據統計，2020年國內電機保有量約40億千瓦，總耗電量4.8萬億千瓦時，占全社會總用電量的64%，占工業用電的75%[1]，因此提高電機效率當屬工業節能的關鍵環節。

高效電機一般指符合相關國家標準中2級能效等級的電機。國內自2006年開始高效電機的研制工作，目前各大企業均有滿足此能效等級要求的高壓電機產品。當前國內電機市場中高效電機占比已比2013年約提高了20個百分點[2]，但隨著行業的發展和節能要求的提高，電機效率要求不斷提升。低壓電機能效標準GB 18613—2020《電動機能效限定值及能效等級》[3]于2020年5月29日頒布，并將于2021年6月1日實施，新標準中提高了能效等級限定值。新標準頒布后多家單位和企業參與了IE5(1級能效)樣機研制工作，據悉現已完成了5個規格19臺樣機試制，效率實測值均已達到IE5能效等級[4]。在高壓電機能效提升方面，國內部分具有前瞻性的企業正在加強技術研究，希望進一步提升效率。蘭州電機股份有限公司(簡稱“蘭州電機”)在2級能效電機的基礎上進行了嘗試性工作，開展1級能效電機的試制研發。本文介紹蘭州電機結合企業實際狀況研制YX400-4 710 kW 6 kV 1級能效電機的情況。

1 總體設計

電機的研制以JB/T 12728—2016《Y、YX系列三相異步電動機技術條件及能效分級》(機座號355～630)為基礎技術條件，GB 30254—2013《高壓三相籠型異步電動機能效限定值及能效等級》中1級能效為目標，綜合考慮成本和性能，兼顧設計方案的延續性和后續生產的通用性，在蘭州電機原2級能效電機的基礎上開展。方案設計中，根據功率平衡方程和效率計算式，提高電機效率的主要方法就是合理地降低各種損耗[5-6]。

電機效率η定義為

(1)

式中：P1為輸入功率；P2為輸出功率。

輸入功率等于輸出功率與損耗之和，即

(2)

式中：ΣP為總損耗；PCu1為定子銅損；PCu2為轉子銅損；PFe為鐵損；Pm為風摩損耗；Pad為附加損耗。

電機總體結構如圖1所示。采用方箱式機座帶冷卻頂罩，內部雙風扇雙循環風路，頂罩兩端進風中間兩側出風，滾動軸承，吊入式鐵心。

圖1 電機總體結構(mm)

2 電磁方案設計

電磁方案以提高效率為主要目標，力爭電機各項參數合理。應用蘭州電機的路算法計算機程序和EasiMotor仿真輔助計算，經多次優化，確定了電磁方案。方案主要特點如下。

(1)利用原三圓尺寸，以減小新增模具費用。

(2)定、轉子沖片采用低損耗硅鋼片50W310。

(3)定子線圈采用減薄絕緣結構，增大線規相對面積，減小電密，降低熱負荷。

(4)采用高強度磁性槽楔，降低附加鐵耗，改善電機參數[7]。

(5)改變槽楔形狀，防止磁性槽楔脫落。

(6)采用銅條轉子結構，改變轉子槽形。增大轉子導體寬高比，增強電機起動性能。

運用EasiMotor磁路法計算并基于計算結果開展負載運行仿真，輔助優化電磁方案。優化后電機主要輸出參數與原2級能效電機設計輸出參數對比及研制電機主要參數目標值如表1和表2所示。仿真磁場磁密分布圖、效率曲線、轉矩曲線等結果如圖2～圖6所示。

表1 研制電機和2級能效電機主要參數

表2 研制設計值與目標值[8-9]

圖2 磁場中磁密分布云圖

圖3 效率-轉速曲線

圖4 堵轉轉矩

圖5 最大轉矩

圖6 堵轉電流曲線

由圖4～圖6可知：電機堵轉轉矩為3 313 N·m，堵轉轉矩倍數為0.73；最大轉矩為11 665 N·m,最大轉矩倍數為2.57；堵轉電流為518 A，堵轉電流倍數為6.27。

運用EasiMotor開展負載運行仿真得到的主要參數如表3所示。對比可知，仿真結果參數基本與設計值接近，在容差范圍內且偏離不大，因而確定此電磁方案可行。

表3 EasiMotor負載運行仿真主要參數結果

3 結構設計

3.1 定子鐵心

定子鐵心采用低損耗50W310硅鋼片疊壓制成。沖片加工時要求定向裁剪、毛刺小于0.03 mm；疊壓時按一定的片數和角度交錯疊壓，疊壓系數0.98，有效提高鐵心利用率。鐵心疊壓質量是此電機的一大關鍵。按鐵心長每50 mm一段設一徑向通風溝，通風溝寬10 mm，兩端利用壓圈和分布在鐵心外圓的8根筋交錯焊接固定。與原2級能效電機相比，筋與定子壓圈有很大改變。為減小線圈端部伸出鐵心長度、降低定子銅耗，壓圈設計成薄壓圈，齒向內傾斜一定角度。兩端壓圈并不完全一樣，一端外徑與定子沖片相同，一端在此外徑上8根筋的位置高出一凸臺，外徑與加工后筋相同。這樣，壓圈在筋與筋之間形成通風道。8根筋在鐵心外圓上均勻分布，一端與壓圈內側面平齊焊接，另一端略長于鐵心壓在另一壓圈上焊接。鐵心疊壓焊接完成后在筋兩端加工與機座配合的外圓止口，如圖7所示。筋上做標志，鐵心落入機座時按標志位置與機座連接。

圖7 定子鐵心實物

3.2 線圈

定子線圈銅線采用FYYB高強度云母導線，端部伸出鐵心40 mm，端部線圈間隙5 mm，以利于端部散熱。下線完成連同鐵心整體進行真空浸漆(VPI)。線圈絕緣經多次反復試驗，確定了新型減薄絕緣結構：選取高性價比的薄膜補強少膠云母帶S5446-1P和高純度環氧浸漬樹脂T1169材料，實現減薄絕緣的目的。新的絕緣結構使線圈絕緣厚度由單邊1.4 mm減薄到1.1 mm，如圖8所示。

圖8 絕緣結構示意圖

減薄絕緣對于電機設計有以下優點：(1)導線面積相對增大，故電流密度減小，熱負荷減小，有利于降低電機溫升；(2)導線面積相對增大，提升了有效材料的利用率，從而提高電機效率；(3)絕緣厚度的減薄有利于散熱，降低絕緣老化，延長電機壽命。

3.3 機座

機座為鋼板焊接方箱式結構，由前后端板、兩邊側板、中間兩環板、底板和底腳板構成。設計上增大了兩側板的間距，減小板厚，在鐵心兩環板間設有方鋼加強筋，端板上端蓋配合孔尺寸減小，以增強機座整體的強度。機座考慮了通用性，內部帶有加熱器。

3.4 轉子

轉子為銅條轉子，焊筋軸結構，帶有內風扇。

轉子鐵心使用與定子鐵心相同的硅鋼片，要求相同的加工精度和疊壓方式，具有與定子鐵心同樣數目和寬度的通風溝并與之對正。軸上4根筋均布，與鐵心配合形成4條通風道。為了獲得更大的通風面積，筋板截面積設計為T字形，并改變筋板端頭形狀以更利于通風順暢。轉子銅條采用7.1 mm×40 mm紫銅條，降低了銅條的電阻率，加大銅條高度，以期在集膚效應作用下改善起動性能。

電機內風扇一般選用離心式風扇和軸流式旋槳風扇。離心式風扇風壓大但效率低；軸流式旋槳風扇能獲得足夠的風量，效率高，但只能單向旋轉，一般適合高速電機[10]。對采用離心式風扇和軸流式旋槳風扇的相同4極電機進行了對比試驗，設計數據和試驗數據如表4所示。數據表明選用旋槳風扇對電機的效率和溫升有明顯的改善，故選用軸流式旋槳風扇。

表4 離心風扇與旋槳風扇試驗數據

對軸流式旋槳風扇進行了流體仿真。仿真模型如圖9所示，位置速度云圖如圖10所示。仿真結果表明，軸流式旋槳風扇在提升冷卻效率和減少冷卻消耗功率方面均有良好表現[11]。

圖9 軸流式旋槳風扇仿真模型

圖10 軸流式旋槳風扇位置速度云圖

3.5 軸承

軸承采用滾動軸承。雙球軸承結構，驅動端定位，非驅動端浮動。浮動端裝有彈簧給定初始預緊力。詳細的軸承計算不再贅述。選用SKF滾動軸承，驅動端型號為6226C3，非驅動端型號為6224C3。帶軸承室的一體式端蓋，減小了端蓋外圓，從而可以增強機座的強度。

3.6 風路優化

電機冷卻方式為IC01，采用雙風扇的內部雙風路循環。電機頂部為冷卻罩，外部風從兩端進入經內部循環帶走熱量，再從冷卻罩中部兩側流出完成熱交換。內部風路循環方式與常規電機相比沒有變化，只是改進了風路。改變原定子鐵心與機座連接配合方式，由原來的環對環改變為筋對環，增強了鐵心表面的散熱能力。根據電機內部熱交換的相關理論[12]，減小了內風路風阻，有利于電機的整體散熱。電機風路循環圖如圖11所示。

圖11 電機風路循環圖

運用ANSYS進行電機風冷流體動力學仿真分析。電機整體和內部的仿真分析模型及流體邊界設置如圖12所示。仿真溫度云圖如圖13所示。

圖12 電機風冷流體動力學仿真分析模型及流體邊界設置

圖13 不同界面溫度云圖

分析溫度云圖可知，電機內溫度分布基本均勻，優于普通電機溫升B級考核要求。

4 研制結果

電機制造完成并進行型式試驗。試驗數據如表5所示。由表5可知，該電機的各項主要參數基本滿足設計值和預期目標值，堵轉電流倍數超標但仍在容差范圍內。

表5 型式試驗主要數據

對比2級能效標準，該電機在節能環保方面效果更加顯著。按每年8 000 h額定運行狀態計算，每年節約用電量約54 418 kW·h。以每度電0.8元計算，可節約電費約43 534元。

按照國家統計局數據，每度電需使用0.404 kg標準煤，每噸標準煤CO2排放量為2.62 t，則每年可減少CO2排放量約57.6 t。

由此可見，無論是在經濟方面，還是在節能減排、綠色環保方面，1級能效電機均有突出表現。

5 結 語

完成了YX400-4 710 kW 6 kV 1級能效三相異步電動機的研制。型式試驗結果表明主要性能指標達到了預期目標，證明了電動機研制方向的正確性和研制方法的有效性。通過此次研制過程，探索出一些新的思路和方法，希望能進一步推廣研究，為其他結構形式電機的效率提升提供參考。通過進一步優化控制，有望繼續改進和提升能效。電動機能效的提升將為可持續發展的綠色環保節能目標做出貢獻。