一種冷凍機專用高壓高速開啟式三相異步電動機

吳 瓊,陳 輝,喬建偉,杜振坤,李玉嬌,朱新年,吳小夫

(1.臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司，河南 南陽 473008;2.浙江金龍電機股份有限公司，浙江 臺州 318058)

0 引 言

壓縮冷凍機是制冷系統的核心，通常稱為制冷機組的主機，在商用空調、工業制冷、食品冷凍、冷藏、制冰、氣體壓縮等領域得到了廣泛的應用[1]。對壓縮冷凍機驅動電機的設計制造水平有較高的要求,如：(1)高效節能，綠色環保，低能耗設計；(2)高功率質量比，外形緊湊，輕量化設計；(3)高效的換熱系統，低噪，低振動設計[2-4]。

本文研制的冷凍機專用高壓高速開啟式三相異步電動機，型號Y500-2,3 000 hp,10 kV；防護等級IP23；安裝方式IMB35;軸承形式為滑動軸承自潤滑；相同功率下，中心高比臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司一般負載的同系列電機(YX560-2)降低了一個中心高。

1 電機電磁設計

1.1 電機設計指標

對標其他電機廠相同規格電機的性能指標，以滿足壓縮冷凍機對驅動電機的嚴苛要求為目標，設定了產品的技術指標。效率為96.5%(Ⅱ級能效)；功率因數為0.9；溫升為60 K；噪聲為85 dBA；空載振動為2.3 mm/s；帶載振動為2.8 mm/s。

1.2 設計輸入控制

電機的三圓、氣隙、槽型選擇、沖片材質等如表1所示；其中定子線圈采用先進的梯形線圈結構設計，端部線圈上下層、相與相間隙更均勻，有效縮短繞組端部長度；采用先進的減薄絕緣體系，使用磁性槽楔[5-6]，槽楔厚度為4 mm。

表1 電機基本電磁設計參數

1.3 計算結果控制

磁負荷控制：定子齒部磁密不超過1.8 T；電負荷控制：定子電流密度、導條電流密度4.6 A/mm2，端環電流密度3 A/mm2；熱負荷控制：3 000 A/mm3。

2 電機結構設計

2.1 總 裝

該電機整體為箱式結構，NEMA D法蘭安裝，冷卻方式為開啟式，雙軸承支撐，頂罩在電機上方。電機由定子、轉子、軸承、接線盒、端蓋、通風冷卻系統等組成。電機整機圖如圖1所示。

圖1 箱式開啟式電動機

2.2 定 子

定子主要由機座、定子鐵心、定子繞組、加熱器組成。

機座采用鋼板焊接，兩側板采用整塊鋼板折彎結構，提高強度；側板內側增加吸音棉，對電機的整體降噪有良好的效果。

定子鐵心由定子沖片、定子壓圈、筋疊壓焊接而成。定子沖片采取帶槽沉筋式焊接，滿足定子鐵心強度需求的同時，解決了大定子沖片外徑與中心高的匹配問題。定子鐵心最大的特點是新設計減薄的齒狀定子壓圈結構，如圖2所示，與以往帶齒壓板、定子壓圈結構相比，直接減少定子鐵心軸向長度50 mm，同時提高了壓圈對鐵心齒部的壓力，使定子鐵心疊壓后，能夠保證片間壓力，避免了因為片間壓力不足引起的電機振動、異響及損耗大的問題。

圖2 定子鐵心結構對比示意圖

定子繞組采用環氧酸酐樹脂[7]、含促進劑的少膠云母帶、層壓玻璃布板的絕緣體系，有效提高了線圈的絕緣性能、防潮性能及防電暈性能。其特點在于使用了先進的減薄絕緣體系，主絕緣厚度為4.0 mm，整體提升電動機定子線圈的散熱性能；采用了先進的梯形線圈結構設計，如圖3所示，端部線圈上下層、相與相間隙更加均勻，且有效縮短了繞組端部長度，進而縮短軸系的軸向距離。

圖3 梯形線圈

定子線圈端部增加內擋風圈結構，如圖4所示。在支撐線圈端部機械強度的同時，可作為內風路冷卻風路的導流板，提高電機的散熱效率，降低電機的溫升。

圖4 定子線圈內擋風圈結構

2.3 轉 子

轉子由軸、轉子鐵心、內風扇組成。轉軸材質為鍛鋼42CrMo；采用剛性轉子設計[8]，通過轉子動力學分析，計算一階臨界轉速值為4 294 r/min，超出了額定轉速43%，一階臨界轉速和額定轉速避開率大于20%；轉子鐵心為銅條轉子。

內風扇采用對稱離心風扇，安裝在端環上、繞組端部下方，可有效縮短轉軸的軸向距離。內風扇質量輕，減少機械損耗，進而提高電機效率，在保證散熱的前提下，對電機的噪聲降低有顯著的效果。同時在風扇的幅板上預留平衡孔，用于轉子平衡時固定平衡塊，取消了原有的獨立平衡環結構，減少了軸向安裝平衡環的空間。

2.4 軸 承

該電機采用滑動軸承自潤滑，為了解決滑動軸承漏油和2P自潤滑軸承溫升高的問題[9]，滑動軸承采用德國RENKEM9S軸承,如圖5所示。與國內外廠家普遍采用的EF(A型軸承)、EM(B型軸承)滑動軸承相比，在相同軸承臺的尺寸下，EM9S軸承體積小，軸承座外鑄有散熱片，散熱面積大，散熱效果好,滿足自潤滑軸承溫度的要求。

圖5 EM9S軸承

該電機滑動軸承潤滑油牌號為L-TSA32(ISO VG32)，軸承牌號如表2所示。

表2 軸承牌號

2.5 接線盒結構

高壓主接線盒安裝在電動機右側，接線盒設計滿足NEMA和GB相關標準，防護等級達到IP56，內部接線空間充足，接線空腔大，滿足用戶安裝互感器的要求。接線盒下方帶有泄壓孔，滿足用戶對短路容量的要求[10]，避免短路故障對設備和人員造成的損傷。

測溫接線盒采用不銹鋼結構，接線盒外形美觀、通用性強，防護等級可達IP66。外形尺寸、出線口規格、模塊安裝等可根據用戶要求進行配置，方便靈活。根據需要可以安裝“黑匣子”、避雷器、溫度變送器等儀表，實現了在線測量、顯示、遠程傳輸等功能。

加熱器接線盒采用不銹鋼或鑄鋁結構，內部端子、出線口規格可以根據用戶要求配置。

2.6 端 蓋

NEMA D法蘭安裝的B35電機，如圖6所示。采用法蘭端蓋設計，由于壓縮機負載運行時轉矩變化較大，法蘭端蓋受力較大，綜合考慮法蘭端蓋的強度、剛度，外形尺寸要盡量緊湊。同時，考慮滑動軸承安裝、拆卸、檢修方便。法蘭端蓋采用鋼板焊接，支撐筋采用梯形結構，且支撐筋的尺寸和位置進行特殊設計，強度高、穩定性好，方便軸承安裝、拆卸、檢修。

圖6 NEMA D法蘭端蓋

2.7 通風冷卻系統

通風散熱、噪聲是開啟式2P高壓電機設計的難點。該電機風路設計特點如下：

(1)內風扇為對稱離心風扇，直接固定在轉子端環上，用于冷卻定子繞組端部。轉子鐵心中各通風道的通風槽板也相當于離心風扇，用于冷卻定子鐵心。

(2)電機內部通風結構采取定轉子通風道不對齊、線圈端部設計擋風圈等多種方案相結合的結構設計，在電機內部熱風被順暢帶走的同時，有效降低了電機通風噪聲和電磁噪聲。

(3)頂罩設計可以滿足NEMA標準WPII的防護要求，通風散熱、消音降噪系統采取多曲路、“W”型風路設計,如圖7所示，該結構加長了冷卻風路的路徑，同時讓高壓高速的冷卻風路充分與消音降噪材料接觸，達到良好的降噪效果，開啟式2P電機噪聲達到82 dBA。

圖7 “W”型消音頂罩

3 電動機實際達到的性能指標

效率、功率因數等性能使用實際負載測試采用B法/C法或E1法，不允許采用等效負載H法圓圖法進行測試，數據更接近實際[11-13]。

電機試驗得到實際效率為96.85%，滿足GB 30254—2013能效標準中Ⅰ級能效[14]；繞組溫升42 K，軸承溫升31 K；空載振動速度值RMS為1.4 mm/s；帶載振動電機按照美國全國電氣制造商協會(NEMA)要求，需安裝在NEMA D法蘭支架上，振動速度RMS為2.5 mm/s；實際噪聲為82 dBA。

與設計指標相比，電機的試驗結果性能更優異，超出設計指標。

4 產品的先進性

4.1 高效節能

電機效率達到GB 30254—2013《高壓三相籠型異步電動機能效限定值及能效等級》[14]中Ⅰ級能效指標要求，能耗試驗通過第三方性能檢測。

4.2 高轉速下低振動等級

開啟式2P電機轉速高，彈性基礎支撐，轉子按剛性轉子設計，一階臨界轉速和額定工作轉速避開率大于20%，避免運行時發生共振；轉子進行高速動平衡，將殘余不平衡量控制到最小，平衡精度控制在G1.0及以下；通過機座模態分析，合理設計機座強度，定子沖片采取帶槽沉筋式焊接，增加定子鐵心強度。電機空載振動速度值1.4 mm/s，負載下振動速度值2.5 mm/s，滿足了用戶的低振動等級要求。

4.3 高效通風散熱、低噪聲等級

開啟式2P電機空載噪聲指標聲壓級≤82 dB，與同行業其他電機相比低了5～8 dB，與國外同行業其他電機相比低了3～5 dB。大幅度降低電機運行環境的噪聲輻射，符合職業健康安全法律法規，為現場運行維護人員提供舒適的工作環境。

5 結 語

壓縮冷凍機行業屬資本和技術密集型行業，全球壓縮機制造業形成了相對壟斷的局面，目前國內制冷與空調用壓縮機的生產廠商多數為外資在國內的合資、獨資企業，驅動電機也處于國外電機壟斷局面。本文研制的冷凍機專用高壓高速開啟式三相異步電動機，作為壓縮冷凍機專用驅動電機，專為國內外壓縮冷凍機廠打造原動機設備，有望打破國外電機的壟斷局面。

另外本文設計的電機，解決了現有電機存在的損耗大、功率低、可靠性差、振動噪聲容易超標等問題；提升了電機產業的核心競爭力和技術含量，提高了產品附加值；在高效、高功率密度、結構緊湊輕量化、低振動、低噪聲等方面取得了創新式突破，填補了壓縮冷凍機專用電機領域的空白。為國家節能減排、電動機行業技術進步貢獻了一份力量。