高功率密度高效率高壓三相異步電動(dòng)機(jī)的研制

鄧堯強(qiáng)， 鄭國(guó)麗， 周黎民， 于 冰， 王 偉， 董江東

(中車株洲電機(jī)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(dòng)機(jī)的研制

鄧堯強(qiáng)， 鄭國(guó)麗， 周黎民， 于 冰， 王 偉， 董江東

(中車株洲電機(jī)有限公司， 湖南 株洲 412001)

以YGKK450-4-1720 kW-6kV電機(jī)為例，介紹了高功率密度高效率高壓三相異步電動(dòng)機(jī)的研制過程及其試驗(yàn)結(jié)果。針對(duì)高功率密度和高效率等特點(diǎn)，提出了一些應(yīng)對(duì)措施，如對(duì)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(yàn)及與類似電機(jī)的對(duì)比，說明了優(yōu)化仿真計(jì)算的正確性，以及YGKK450-4-1720 kW-6kV電機(jī)的先進(jìn)性。

高功率密度； 高壓三相異步電機(jī)； 小機(jī)座； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

電機(jī)作為各種設(shè)備的動(dòng)力源，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備。近年來，隨著財(cái)政部、國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)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(jī)推廣實(shí)施細(xì)則》的推行，高效率電機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)如GB 30254—2013《高壓三相籠型異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》等的頒布和實(shí)施，高效率高壓電動(dòng)機(jī)逐漸得到廣大用戶、社會(huì)和企業(yè)的認(rèn)可和接受。

中車株洲電機(jī)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(dòng)機(jī)，順應(yīng)了這一潮流。與普通高效率高壓電機(jī)相比，它具有輸出功率大、小機(jī)座、噪聲低和效率高等特點(diǎn)，跨入國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的行列。按照機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10315.2—2002，6000V、4極、1720kW封閉式電機(jī)應(yīng)安排在H630中心高機(jī)座，現(xiàn)在降低3個(gè)中心高安排在H450機(jī)座，這就要求必須采取足夠的措施來保證電機(jī)在機(jī)械和電氣等方面的可靠性，并確保各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1 電機(jī)的電磁參數(shù)

由電機(jī)設(shè)計(jì)[1-5]可知,在電機(jī)中心高一定的情況下，要想增加電機(jī)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(zhǎng)度；另一方面可增加電磁負(fù)荷。該電機(jī)的鐵心尺寸和電磁負(fù)荷如表1、表2所示。

表1 電機(jī)鐵心尺寸

由文獻(xiàn)[6-7]可知，采用磁性槽楔能降低電機(jī)的表面損耗和脈振損耗，提高電機(jī)的效率。該電機(jī)在方案設(shè)計(jì)之初，采用有限元分析對(duì)磁性槽楔和非磁性槽楔的作用進(jìn)行了計(jì)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(duì)由于磁勢(shì)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(shì)諧波引起的負(fù)載導(dǎo)條損耗Eddy Loss起作用，對(duì)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(jī)電磁負(fù)荷

表3 磁性槽楔和非磁性槽楔對(duì)電機(jī)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(zhǎng)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(duì)電機(jī)的損耗進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)損耗較低的原則，并綜合考慮電機(jī)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(zhǎng)度2.8mm的電磁方案。限于篇幅，下面以氣隙長(zhǎng)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(jī)損耗(不含機(jī)械損耗)隨著氣隙長(zhǎng)度的增加而降低。圖1中有一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)以前，電機(jī)損耗降低較快；在拐點(diǎn)以后，電機(jī)損耗降低較慢。隨著氣隙長(zhǎng)度的增加，電機(jī)的功率因數(shù)急劇降低，如圖2所示。電機(jī)的功率因數(shù)應(yīng)不小于0.88，故電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度取2.8mm較好。

2 風(fēng)路結(jié)構(gòu)優(yōu)化

該電機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)的成敗，并顯著影響到電機(jī)的溫升、機(jī)械損耗和噪聲。在電機(jī)的損耗大幅增加的情況下，為了使電機(jī)的溫升合格，機(jī)械損耗和噪聲較低，在技術(shù)設(shè)計(jì)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(jī)損耗(不含機(jī)械損耗)和氣隙長(zhǎng)度關(guān)系圖(鑄鋁轉(zhuǎn)子、定轉(zhuǎn)子槽配合72/58)

圖2 電機(jī)功率因數(shù)和氣隙長(zhǎng)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(gè)，寬度為8mm。電機(jī)的機(jī)械損耗如表4所示。

表4 電機(jī)的機(jī)械損耗 kW

因?yàn)閮?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(jī)相比，機(jī)械損耗大大降低，直接有利于電機(jī)效率的提升。該電機(jī)機(jī)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(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)

電機(jī)的結(jié)構(gòu)跟普通高壓電機(jī)一樣，由冷卻器、機(jī)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(jī)具有較小的機(jī)械損耗和噪聲水平。

定子鐵心和機(jī)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(jī)座是鋼板焊接結(jié)構(gòu)。利用有限元分析軟件對(duì)機(jī)座的模態(tài)、動(dòng)靜強(qiáng)度、機(jī)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(jì)算，在滿足電機(jī)要求的情況下將機(jī)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(lì)，保證電機(jī)的安全運(yùn)行。由于電機(jī)鐵心較長(zhǎng)，還對(duì)定子鐵心的剛度、撓度等進(jìn)行了計(jì)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(gè)彈簧對(duì)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(jì)算其撓度為9.06%，臨界轉(zhuǎn)速為2711r/min。由于電機(jī)輸出功率增加很多，普通的35鋼軸伸的疲勞強(qiáng)度已不能滿足要求，轉(zhuǎn)軸材料需采用合金鋼；但合金鋼對(duì)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(yàn)結(jié)果

該電機(jī)在試制完成后，進(jìn)行了一系列的型式試驗(yàn)和研究性試驗(yàn)，以驗(yàn)證電磁計(jì)算和有限元計(jì)算結(jié)果的正確性。制造時(shí)，在鐵心表面、繞組層間和軸承內(nèi)埋設(shè)了共52個(gè)PT100測(cè)溫元件，用以檢測(cè)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)各部分的溫度。試驗(yàn)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(jī)部分性能的計(jì)算值和試驗(yàn)值對(duì)比

溫升數(shù)據(jù)比較多，只摘錄電機(jī)繞組中間部位的6點(diǎn)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(yàn)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(jī)部分溫升計(jì)算值和試驗(yàn)值對(duì)比 K

對(duì)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)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(yàn)和反轉(zhuǎn)試驗(yàn)法”測(cè)定電機(jī)實(shí)際的負(fù)載雜散損耗(E法)。因而電機(jī)的效率也有兩種，如表7所示。

表7 電機(jī)的效率

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

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

表8 電機(jī)的重量 kg

5 結(jié) 語

YGKK450-4-1720kW-6kV電機(jī)的特點(diǎn)是輸出功率大、體積小、效率高和噪聲低，達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，具有廣闊的市場(chǎng)前景。電機(jī)在研制過程中，采用有限元方法和流體場(chǎng)仿真分析分別對(duì)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(jì)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(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算值的對(duì)比結(jié)果。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，電機(jī)的各項(xiàng)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(qiáng)(1970—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦叩蛪喝喈惒诫姍C(jī)設(shè)計(jì)。

TM 343

A

1673-6540(2016)10- 0053- 04

2016-03-25