符合尼瑪標(biāo)準(zhǔn)的防爆超高效三相異步電動(dòng)機(jī)研制

王 勃， 王少景

(1.東華大學(xué)，上海 201600;2.上海睿達(dá)電氣有限公司，上海 200333)

0 引言

防爆電動(dòng)機(jī)是適應(yīng)在石油、化工、煤炭等行業(yè)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)。由于這些行業(yè)的工藝流程的連續(xù)性，使用防爆超高效電動(dòng)機(jī)是最符合節(jié)能減排、綠色環(huán)保的運(yùn)行方式。因此美國、加拿大等國的電機(jī)公司在推出一般用途超高效三相異步電動(dòng)機(jī)的同時(shí)，積極研發(fā)防爆超高效三相異步電動(dòng)機(jī)，以爭取這塊最大的特種電機(jī)市場。

本文介紹的防爆超高效三相異步電動(dòng)機(jī)，符合美國、加拿大等國市場使用的防爆超高效三相異步電動(dòng)機(jī)(以下簡稱電動(dòng)機(jī))的要求。

1 電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)與要求

1.1 電動(dòng)機(jī)的使用場所及性能要求

符合尼瑪標(biāo)準(zhǔn)的防爆超高效三相異步電動(dòng)機(jī)，使用在1類1區(qū)C，D組;2類1區(qū)E，F(xiàn)，G組，具有爆炸危險(xiǎn)氣體與粉塵環(huán)境的場所。溫度組別T3C(≤160℃)。電動(dòng)機(jī)的防爆性能符合:

(1)UL674-1996，使用Ⅰ區(qū)危險(xiǎn)場所的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī);

(2)CSA C22.2 No.145-M1986，使用危險(xiǎn)場所的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī);

(3)IEEE841-2001 500HP及以下石油化工惡劣環(huán)境用全封閉扇冷(TEFC)籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。

1.2 電動(dòng)機(jī)性能

電動(dòng)機(jī)的一般性能符合下列標(biāo)準(zhǔn):

(1)NEMA MG1-2006，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī);

(2)UL1004-2003，電動(dòng)機(jī);

(3)IEEE112—1996，多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)試驗(yàn)方法。

1.3 電動(dòng)機(jī)的其他要求

A型和 B型設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí) IP55，60 Hz和50 Hz，F(xiàn)級(jí)絕緣，全封閉風(fēng)扇冷卻方式。使用系數(shù)為1.15(60 Hz)或1.0(50 Hz)，電壓為230/460 V(60 Hz)或190/380 V(50 Hz)，功率為1～300 HP，機(jī)座號(hào)為 143T～449TS，同步轉(zhuǎn)速為3 600、1 800、1 200 r/min，可以實(shí)現(xiàn) F1、F2 的轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)派生C法蘭、D法蘭。

1.4 電動(dòng)機(jī)型譜

電動(dòng)機(jī)型譜如表1所示。

1.5 60 Hz運(yùn)行時(shí)的效率

60 Hz運(yùn)行時(shí)的效率如表2所示。

1.6 50 Hz運(yùn)行時(shí)的效率

50 Hz運(yùn)行時(shí)的效率如表3所示。

2 UL的分類、分組和分區(qū)與防爆審查

由于電動(dòng)機(jī)需要送美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)或加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(CSA)進(jìn)行防爆認(rèn)證，本文對UL作簡要介紹。

表2 電動(dòng)機(jī)的滿載效率(60 Hz)

UL是著名的認(rèn)證機(jī)構(gòu)，在美國和國際危險(xiǎn)場所的認(rèn)證工作迄今已有近90年歷史。UL關(guān)于危險(xiǎn)場所的分類、分區(qū)和分組如下。

2.1 分類

UL關(guān)于爆炸危險(xiǎn)場所用的分類有三個(gè):

(1)I類，可燃性氣體、蒸汽和液體;

(2)II類，可燃性粉塵;

(3)III類，可燃性纖維和飛絮飛揚(yáng)物。

2.2 分組

各種氣體與粉塵分成不同的組，最高的易爆氣體組是A組，之后的組表示引爆能力越來越弱，例如:B組，然后C組，等。以下是與各組有關(guān)的部分氣體或可燃性粉塵:

(1)A組，乙炔;

(2)B組，氫氣、丁二烯、乙烯氧化物或丙烯氧化物;

(3)C組，環(huán)丙烷、乙烷、乙烯;

表3 電動(dòng)機(jī)的滿載效率(50 Hz)

(4)D組，丙酮、乙醇、氨氣、苯、合成苯、丁烷、汽油、己烷、天然氣、丙烷;

(5)E組，金屬粉塵包括鋁、鎂 以及鋁鎂合金;

(6)F組，炭黑、木炭、煤或煤炭粉塵;

(7)G組，面粉、淀粉、谷類、易燃塑料和化學(xué)粉塵。

2.3 分區(qū)

UL關(guān)于爆炸危險(xiǎn)場所用的分區(qū)有三種:

(1)0區(qū)，在正常運(yùn)行條件下，可燃性氣體、蒸汽或液體的可燃性濃度可能在所有時(shí)間，或長期存在的場所。

(2)1區(qū)，在正常運(yùn)行條件下，可燃性氣體、蒸汽或液體的可燃性濃度以及可燃性粉塵的濃度在所有時(shí)間或某些時(shí)間可能存在的場所。

(3)2區(qū)，在正常運(yùn)行條件下，可燃性氣體、蒸汽或液體的可燃性濃度以及可燃性粉塵的濃度不可能存在，僅在設(shè)備故障情況下存在的場所。

2.4 防爆認(rèn)證

電動(dòng)機(jī)需送UL或CSA進(jìn)行防爆認(rèn)證，防爆審查分為圖紙審查和樣機(jī)審查兩部分。取證一般應(yīng)取在美國和加拿大均使用的證書。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 電動(dòng)機(jī)主體結(jié)構(gòu)

全系列電動(dòng)機(jī)的機(jī)座和端蓋均采用鑄鐵制造，機(jī)座上的散熱筋與端蓋上的加強(qiáng)筋采用了垂直、平行分布方式，散熱筋之間使用了非等距分布與非同心圓的組合方式，保證有足夠的強(qiáng)度和良好的散熱能力與鑄造工藝性，還具有優(yōu)美的外觀型式。

轉(zhuǎn)子采用了可靠的鑄鋁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)條和轉(zhuǎn)子鐵心之間有很好的熱耦合性。鑄鋁轉(zhuǎn)子表面經(jīng)防腐處理，以二次熱套的方式與轉(zhuǎn)軸裝配后，經(jīng)高精度動(dòng)平衡以保證電機(jī)振動(dòng)小、噪聲低。

采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)的離心風(fēng)扇，可根據(jù)采購商的要求分別設(shè)計(jì)為防靜電塑料與鑄鋁合金兩種材料。端罩也分別設(shè)計(jì)為鑄鐵與鋼板兩種，以適應(yīng)采購商要求電機(jī)使用在一般環(huán)境與惡劣環(huán)境的不同場合。

軸承采用優(yōu)質(zhì)滾動(dòng)軸承，潤滑脂為高質(zhì)量、溫度范圍寬的防銹潤滑油脂。從H140～210中心高，電動(dòng)機(jī)使用全封閉軸承;從H250～440，電動(dòng)機(jī)采用深溝球軸承，并設(shè)計(jì)有注排油裝置。

電動(dòng)機(jī)可以安裝防冷凝加熱器，可以安裝熱敏電阻或溫控開關(guān)。接線盒設(shè)計(jì)有專門的進(jìn)線錐管螺紋口。

3.2 電動(dòng)機(jī)的防爆結(jié)構(gòu)要點(diǎn)

(1)電動(dòng)機(jī)的機(jī)座、接線盒、端蓋、軸承內(nèi)蓋均采用HT250高強(qiáng)度鑄鐵，最小壁厚滿足UL的規(guī)定。這些結(jié)構(gòu)件在精加工后均經(jīng)過1 MPa的水壓試驗(yàn)，以不變形為合格。

(2)軸貫通采用迷宮式防爆曲路，軸承內(nèi)蓋與端蓋、端蓋與機(jī)座采用圓筒防爆面，接線盒座與接線盒蓋采用平面防爆面。防爆結(jié)合面參數(shù)均符合UL的規(guī)定。

(3)接線盒采用澆封型導(dǎo)管接線盒，澆封材料為經(jīng)UL或CSA認(rèn)證許可。

(4)電動(dòng)機(jī)的防塵結(jié)構(gòu)主要分為機(jī)座與軸貫通兩部分。機(jī)座與端蓋徑向端面間隙盡可能減小;軸貫通部分:H140～210為V型環(huán)加外防塵蓋，H250～440為甩油環(huán)加防塵蓋，即設(shè)計(jì)4個(gè)及以上90°的折彎曲路，防止粉塵進(jìn)入軸承室。

(5)螺紋與螺紋連接符合UL的規(guī)定。

4 降低損耗的若干措施

經(jīng)認(rèn)真分析，采用以下技術(shù)措施降低電動(dòng)機(jī)的定子損耗、轉(zhuǎn)子損耗、鐵耗、機(jī)械耗以及雜散損耗以及振動(dòng)、噪聲。

4.1 降低定子銅耗(PCU1)

定子銅耗PCU1計(jì)算公式為

降低定子銅耗的措施有:

(1)縮短繞組端部長度以及伸出鐵心的直線部分長度等;

(2)減薄絕緣，由0.35厚的槽絕緣改為0.25厚，提高了定子槽的利用率;

(3)提高槽滿率，并選用較大的線規(guī)。

(4)采用新型的定子繞組，減少銅耗與雜散損耗。

4.2 降低轉(zhuǎn)子鋁耗(PAL2)

轉(zhuǎn)子鋁耗PAL2計(jì)算公式為PAL2=R2

該設(shè)計(jì)全系列電動(dòng)機(jī)采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。降低轉(zhuǎn)子鋁耗的措施有:

(1)采用截面積較大的轉(zhuǎn)子槽形，增大轉(zhuǎn)子端環(huán)面積;

(2)使用特二級(jí)鋁，純度99.6%，澆注前化驗(yàn)含錳量不大于0.3%;

(3)精煉，使用前應(yīng)充分精煉除氣除渣后方可使用;

(4)采用離心鑄鋁，增大轉(zhuǎn)子導(dǎo)條接觸電阻，減小損耗;

(5)采用轉(zhuǎn)子鐵心的磷化處理措施。

4.3 降低鐵耗(PFe)

鐵心損耗PFe的估算公式為

式中:P1.0/50——鐵心材料在頻率50 Hz，磁密1 T時(shí)的單位損耗;

B——鐵心平均磁密;

f——磁通交變頻率;

GFe——鐵心重量;

K——修正系數(shù)，考慮鐵心材料經(jīng)沖片、剪切等加工以及齒部或軛部磁通密度分布不均勻，氣隙磁通非正弦性使損耗增加而進(jìn)行的經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)。

為降低鐵心損耗采用以下措施:

(1)采用低損耗的優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片，減少電機(jī)的渦流損耗，該設(shè)計(jì)全系列電機(jī)使用0.5 mm厚的DW350硅鋼片;

(2)調(diào)整槽形，降低磁負(fù)荷，減少基波鐵損耗;

(3)增加鐵心長，用較多的優(yōu)質(zhì)硅鋼片，減少磁負(fù)荷來降低鐵損耗;

(4)沖片毛刺控制在0.05及以下;

(5)定、轉(zhuǎn)子沖片的疊壓系數(shù)控制在0.98;

(6)定、轉(zhuǎn)子沖片在沖裁后均采用退火工藝與氧化處理，消除機(jī)械應(yīng)力和應(yīng)變，恢復(fù)與提高硅鋼片材料的磁性能。

4.4 降低機(jī)械損耗(PFw)

電動(dòng)機(jī)的機(jī)械損耗PFw約占總損耗的5%，為降低機(jī)械損耗所采取的措施有:

(1)優(yōu)化外風(fēng)扇，在保證溫升與噪聲的條件下盡可能的提高風(fēng)扇的效率;

(2)優(yōu)化電機(jī)的風(fēng)路結(jié)構(gòu)，為保證風(fēng)路順暢，需保證風(fēng)葉外徑與風(fēng)罩的間隙不大于10 mm，風(fēng)罩進(jìn)風(fēng)口的外徑小于風(fēng)扇外徑;

(3)采用優(yōu)質(zhì)滾動(dòng)軸承;

(4)采用優(yōu)質(zhì)潤滑脂，降低摩擦損耗。

4.5 降低雜散損耗(Ps)

雜散損耗Ps約占總損耗的10%，是除上述四種損耗以外的全部損耗，降低雜散損耗具體措施有:

(1)采用優(yōu)化的槽配合。近槽配合雜散損耗小，效率因數(shù)及起動(dòng)性能易于保證，但噪聲偏大，因?yàn)樾枰獙?shí)測雜散損耗，故選用近槽配合。

(2)采用低諧波準(zhǔn)正弦繞組。經(jīng)過深入研究和反復(fù)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)采用了一種新型的低諧波準(zhǔn)正弦繞組，其基本原理如下:

①這種繞組是一種不等匝繞組，即繞組的各個(gè)線圈具有不同的匝數(shù)，其各個(gè)線圈的匝數(shù)按線圈在空間的位置盡可能具有正弦分布。

②為了提高材料的利用率，每個(gè)槽的槽滿率盡可能相同，在考慮線圈的匝數(shù)和節(jié)距時(shí)必須嚴(yán)格遵守這一原則。

③繞組的型式為單雙層同心式繞組或雙層疊繞組。

(3)采用特殊的轉(zhuǎn)子加工工藝。

通過對轉(zhuǎn)子加工進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，采用特殊刀具，嚴(yán)格控制進(jìn)刀量，實(shí)施正反刀等措施達(dá)到了既省時(shí)又能降低雜散損耗的目的。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)制造完成，經(jīng)過性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雜散損耗偏大，因而造成效率指標(biāo)不合格，可以采取以下措施進(jìn)一步提高電動(dòng)機(jī)效率:

(1)如果電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)有裕度，可以采取放大氣隙的方法;

(2)采用特殊的轉(zhuǎn)子表面酸洗處理工藝。

4.6 采用斜槽

鑄鋁轉(zhuǎn)子采用了經(jīng)過大量實(shí)踐驗(yàn)證的斜槽參數(shù)，有效抑制了因高次諧波磁場產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩和噪聲。

5 典型規(guī)格的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由于采取了一系列的技術(shù)措施，樣機(jī)試制取得了很好的效果，表4是NEMA284-2，25HP的電氣性能試驗(yàn)參數(shù)，其防爆認(rèn)證的各項(xiàng)試驗(yàn)正在由相關(guān)認(rèn)證機(jī)構(gòu)加緊進(jìn)行中。

6 結(jié) 語

防爆電動(dòng)機(jī)相對于一般用途封閉式電動(dòng)機(jī)，在效率相同時(shí)，其有效材料如漆包線、硅鋼片、鋁導(dǎo)條等的使用量是一樣的，僅增加了結(jié)構(gòu)材料的10%～15%，工時(shí)的10%，以及防爆認(rèn)證費(fèi)用，而電動(dòng)機(jī)的價(jià)格卻增加了30%以上。因此，這對于國內(nèi)電機(jī)企業(yè)積極開拓國際市場，提高經(jīng)濟(jì)效益以及企業(yè)自身的國際國內(nèi)競爭力，有非常大的實(shí)際意義與效益。

表4 NEMA286TS-2(25 HP，460 V，60 Hz)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

［1］陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］龔埛.電機(jī)制造工藝學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1983.