電機整體結構的防護等級標準解讀及案例分析

莊少紅，譚耀堂，黃嘉彬，陳俊軍

（威凱檢測技術有限公司，廣州 510663）

前言

電機產品的研發通常考慮到的是功率、尺寸、轉速、能效效率等作為主要參數，而往往會忽視電機外殼的防護能力重要環節。電機外殼設計是電機安全性能提升的重要環節，作為廠家需著重關注。目前，針對旋轉電機整體結構的防護等級標準主要是GB/T 4942-2021《旋轉電機整體結構的防護等級（IP 代碼）分級》。

市面上絕大多數小功率電機未標IP等級，很大程度上是因為工作環境不需要達到IP等級要求，通常結合在整機上使用的電機，會根據整機使用的工作環境達到特定的IP等級，以便整機產品更容易通過IP測試。比如空調器室外機用的電機，建筑物外部換氣扇用的電機，這類型整機在家電產品標準中規定至少達到IPX4等級要求。電機必須充分考慮到工作環境和使用要求，以便設計和選用具有適當外殼防護等級產品，而不是盲目的追求更高的防護等級，更高的防護等級意味著對外殼的材料和加工工藝也相應有更高的要求，生產成本也會隨之增加。

1 標準內容概述

GB/T 4942-2021《旋轉電機整體結構的防護等級（IP代碼） 分級》規定了旋轉電機整體結構各個防護等級的含義、標志方法、試驗方法和認可條件要求。總的來說一方面是為了防異物的進入以及防直接或間接接觸危險部件，另一方面是防水的測試。使用代碼字母IP、第一位表征數字、第二位表征數字、或補充字母表示，補充字母是在增加防護內容時使用，在IP第二位表征數字后表示，IP代碼（含補充字母）標志示例如圖1所示。

圖1 IP代碼（含補充字母）標志示例

2 電機整體結構的各級防護等級解讀

2.1 第一位表征數字代表的防護等級的含義

第一位表征數字主要分為了以下兩方面的防護：

1）對于接近危險部件的防護：主要是為了人體的某一部分（例如手指）、手持的物棒與電機內部導電或轉動部件之間保持足夠的間隙，避免人體造成觸電或機械傷害。

2）對于固體異物進入的防護：主要是為了防止外界固體異物進入殼內，避免對電機正常運行造成影響，例如外界粉塵、固體異物的進入可能會引發短路、擊穿和運動部件卡死等設備故障的情況。

第一位表征數字總共分為0至6級的防護等級，在表1里清楚的描述了其代表的防護等級的含義。

表1 關于第一位表征數字表示的防護等級含義

2.2 第二位表征數字代表的防護等級的含義

第二位表征數字的防護主要是為了防止水的侵害，水的進入可能會導致絕緣性能下降，造成電路故障、短路等安全隱患。總共分為0至9級的防水等級，在表2里清楚的描述了其代表的含義。

表2 關于第二位表征數字表示的防護等級的含義

2.3 電機外風扇防護罩的防護要求

對于備有外風扇防護罩的旋轉電機，如圖2，為了防止觸碰到外風扇的葉片和輪輻等危險部件（光滑部件除外），外風扇防護罩需要符合相應的防護等級要求，例如IP第一位表征數字為1的電機，其防護罩則要進行50 mm試球試驗；IP第一位表征數字為2至6的電機，其防護罩要進行標準試指試驗。

圖2 電機外風扇防護罩(白框所示)

2.4 電機泄水孔的防護要求

對于備有泄水孔的電機，如圖3，為了防止電機內部積水而減少繞組和裸露的帶電部件對地的電氣間隙和爬電距離，該泄水孔需要達到不同等級的防異物進入和防觸及轉動部件的要求，例如產品安裝說明書規定了正常使用時泄水孔是開啟的，進行IP 試驗時也保持開啟狀態，如果泄水孔沒有配備安裝呼吸閥或堵頭等，泄水孔視作開啟狀態進行IP 試驗；對IP第一位表征數字為3或4且開啟的泄水孔，其泄水孔則要進行IP2X等級試驗；對IP第一位表征數字為5開啟的泄水孔，其泄水孔則要進行IP4X等級試驗。

圖3 電機底部泄水孔(白框所示)

3 試驗方法概述

本標準從電機外殼防護等級的各級試驗條件上，分別從試驗用設備、試驗方法、合格依據等方面給出了相應的規定。

比如IP第一位表征數字試驗用到的不同尺寸的試具，是用來檢驗電機外殼的各個防護等級，并施加一定的力來檢驗距離危險部件是否有足夠間隙。其中IP第一位表征數字為1、2、3、4的試具，分別為直徑50 mm剛性試球、直徑12 mm長80 mm金屬試指以及直徑12.5 mm的剛性試球、直徑2.5 mm硬鋼絲、直徑1.0 mm硬鋼絲。對于IP第一位表征數字為5和 6的防塵試驗則使用防塵箱進行，注意電機的外殼均屬于第一種類型的外殼，需用真空泵抽氣使電機殼內氣壓低于環境氣壓；IP第二位表征數字的防水試驗分別使用滴水裝置、擺管、手持式淋水噴頭、標準噴嘴、 潛水箱、扇形噴嘴等設備進行。試具用力、設備的尺寸在標準里有具體的規定，本文不在此作詳細描述。

下面對電機的外殼防護測試中需要注意的要點進行說明，例如：

1）電機的防水或防塵試驗應在GB/T 2421.1-2008規定的試驗用標準大氣環境條件下進行，以保證試驗結果的準確性和可溯源性；

2）電機應保持清潔的、完好的，所有部件都應按照銘牌或說明書上預定的安裝方式進行安裝到位；

3）除防塵試驗外，進行IP第一位表征數字試驗時應注意選擇正確的試具和試驗用力；

4）防塵試驗需要確認防塵箱抽氣量（至少為80倍殼內空氣體積）、壓差（不超過2 kPa）、試驗時間等參數的具體要求，另注意防塵箱使用的滑石粉要用75 μm寬度的篩網過濾，每立方米防塵箱內體積的滑石粉用量為2 kg，且使用次數不超過20 次；

5）IP第二位表征數字的防水試驗需確認電機安裝方式、試驗方向、水流量、水壓、樣品溫度（IPX7試驗水與電機的溫差不大于5 K）、水溫（IPX9試驗水溫為（80 ±5）℃）、試驗時間等參數的具體要求。

4 認可條件概述

認可條件是判定各級防護等級試驗合格的依據。

IP第一位表征數字同時滿足對防止接近危險部件和防止固體異物進入可判定為合格，其中對防止接近危險部件的認可條件是：標準試具與危險部件之間有足夠的間隙，不同額定電壓的電機對于“足夠的間隙”的含義也不同，例如：①交流不超過1 000 V，直流不超過1 500 V的低壓電機，試具不能觸及帶電或轉動部件（光滑轉動部件除外）；②交流超過1 000 V，直流超過1 500 V的高壓電機，試具置于最接近殼內帶電部件的位置，通過測試試具與殼內帶電部件之間的耐電壓試驗來判定。

對防止固體異物進入的防護等級，IP第一位表征數字為1、2、3、4的認可條件是:試具的直徑不能進入殼內；IP第一位表征數字為5的認可條件為：滑石粉積聚的量和部位如同一般塵埃積聚的情況一樣不足以影響電機的正常，也不會影響爬電距離；IP第一位表征數字為6的防塵試驗認可條件為：試驗后電機內部無滑石粉進入。

IP第二位表征數字對防止水進入的防護等級，認可條件是：電機的進水量不能影響電機的正常運行；電機內的積水不能浸及繞組和帶電部件；有排水措施的電機，允許水沿軸端漏入，對于沒有排水措施的電機應不允許水沿軸端漏入，這會使電機存在很大的安全隱患。

5 常見的不合格案例分析及整改措施

5.1 電機常見不合格案例有以下情況

1）泄水孔不合格問題

某企業設計的電機進行IP55試驗不合格。試驗后，經檢查發現有塵、水從底部的泄水孔進入內部電極板上，由于泄水孔沒有安裝堵頭，泄水孔試驗時視作開啟狀態，導致電機底部的泄水孔不符合IP4X試驗，直徑1 mm試驗針施加（1±0.1）N的力能進入泄水孔內部，如圖4。整改措施建議：增加堵頭堵住泄水孔，并在說明書中注明電機運行中泄水孔處于關閉狀態；或取消底部的泄水孔。

圖4 外殼防護IP55試驗不合格

2）外風扇防護罩不合格問題

電機外風扇防護罩的試驗要求往往是最容易被企業忽略的。對于外風扇防護罩的試驗，如圖5進行的試指試驗，罩體邊沿存在較大間隙，導致試指觸碰到風葉危險轉動部件，IP測試不合格。整改措施建議：將外風扇防護罩適當往前移，減小間隙空間，使標準試指不能完全進入；或適當改小風葉尺寸。

圖5 試指觸碰到電機風葉

3）接線盒進水問題

某廠家生產的接線盒的接合面處呈拱形狀，導致與接線盒的端蓋接觸面太小，如圖6。進行IPX5或IPX6的噴水試驗時，容易承受不住一定水壓的沖擊進水。整改措施建議：把接線盒的上沿改寬、平，以此來增大與上端蓋的接觸面積，同時在接合面處增加膠墊（圈）壓緊。

圖6 電機接線盒進水位置(箭頭所示)

4）電源引出線端口進水

電機的電源引出線孔的防水接頭與端口無墊圈壓緊，當防水接頭尺寸與孔不完全吻合時，防水測試時容易導致水從該處滲入。整改措施建議：電源引出線的防水接頭與端口前后接合面增加橡膠墊片，配有鎖緊螺母鎖緊密封，如圖7。建議使用具有一定耐老化、耐磨性能的膠墊片。

圖7 防水接頭處增加橡膠墊片(白圈所示)

5）軸端進水問題

對于電機軸端進水，在進水量很少的情況下，可建議廠家采取軸承處油封設計，基本可防止水或塵沿軸端滲入，或者在不影響運轉性能的情況下，外加密封膠圈套在電機出軸端上，如圖8。若電機軸端縫隙較大、進水量較多時，則需重新改模。

圖8 電機進水位置整改措施

5.2 防水防塵整改

防水防塵整改一般做法是提高外殼密封性，但也可從電機內部的帶電部件采用絕緣隔絕方式，例如某電機產品內部元器件采用一種“氣相沉積”技術涂層絕緣，灌封一種絕緣性能較好的材料以達到防止水、塵的損害，如圖9。

圖9 絕緣灌封部位(白框所示)

6 結束語

本文通過對電機整體結構的防護等級要求解讀和常見問題的分析，并提出一些解決方案。使研發人員充分了解電機設計防護能力的要求，提升電機產品質量可靠性，避免盲目地選取較高的嚴酷等級造成試驗的不通過。同時在檢驗電機的過程中需要試驗人員的嚴謹細致，充分的理解標準內容，并運用正確的測試方法以得到準確的結果。