高壓異步電動(dòng)機(jī)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化

黃沛沛，李 楠，李剛強(qiáng)

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

電機(jī)是整個(gè)工業(yè)不可缺少的部分裝備，而高壓異步電動(dòng)機(jī)作為電機(jī)中重要的一類，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。高壓異步電動(dòng)機(jī)市場每年需求量巨大，而此巨量的需求給生產(chǎn)制造公司帶來極大的生產(chǎn)壓力，包括但不限于生產(chǎn)周期壓力、物料管理壓力、質(zhì)量控制壓力等等。相應(yīng)的，目前異步電動(dòng)機(jī)行業(yè)內(nèi)的競爭也主要體現(xiàn)在成本、交貨期、質(zhì)量方面。異步電動(dòng)機(jī)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的開發(fā)設(shè)計(jì)理念是解決上述問題的一個(gè)突破口。通過系列化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)大幅減少物料種類，減輕物料管理壓力；通過模塊化設(shè)計(jì)推動(dòng)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)投產(chǎn)導(dǎo)致生產(chǎn)瓶頸的電機(jī)零部件的目的，大幅降低生產(chǎn)周期壓力。目前國內(nèi)異步電動(dòng)機(jī)的系列性較為完善，本文主要就如何實(shí)現(xiàn)方箱式高壓異步電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化進(jìn)行討論，為高壓異步電機(jī)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的建設(shè)提供一些思路。以下提到的通用化概念是作為模塊化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)手段的概念論述的。

針對(duì)高壓異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，為更好地闡述標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的理念，我們將高壓異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)成分為核心部件、主要部件和配套輔助部件三大類。核心部件是指電機(jī)中受限于電機(jī)原理、工藝水平等，無法很好地做到通用化的部件，具體包括電機(jī)定子鐵心、線圈、轉(zhuǎn)子鐵心等零部件。主要部件是指生產(chǎn)周期較長、影響電機(jī)整體生產(chǎn)進(jìn)度的部件，包括電機(jī)轉(zhuǎn)軸、機(jī)座、軸承、端蓋等。配套輔助部件主要指為使電機(jī)可控、安全、良好的運(yùn)行，而配備的一些輔助件，包括電機(jī)出線盒、空間加熱器、軸承進(jìn)油裝置、儀表監(jiān)測裝置等等。

1 核心部件

核心部件是電機(jī)定、轉(zhuǎn)子部分中直接與電磁方案相關(guān)的部件，此類部件主要采用定制化和標(biāo)準(zhǔn)化并行的設(shè)計(jì)理念。

因電動(dòng)機(jī)在國民生產(chǎn)活動(dòng)中的廣泛應(yīng)用，其負(fù)載也是復(fù)雜多變的。不同的負(fù)載對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出功率、轉(zhuǎn)速等的要求更是多種多樣，針對(duì)不同中心高、極數(shù)、功率的電機(jī)，其定轉(zhuǎn)子沖片的槽型及尺寸均需進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。但沖片牌號(hào)、其他零件等可以采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)：如定子沖片外圓的縱向筋，可以采用相同材料、不同中心高電機(jī)統(tǒng)一規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)理念。

1.1 定、轉(zhuǎn)子槽型

在高壓異步電機(jī)中，6 kV級(jí)和10 kV級(jí)是最常見的兩個(gè)電壓等級(jí)。開發(fā)這兩個(gè)電壓等級(jí)的基本系列電機(jī)時(shí)，同一中心高、極數(shù)基本可實(shí)現(xiàn)采用同樣的槽配合。對(duì)定子部分而言，大多數(shù)情況下可實(shí)現(xiàn)同一中心高、極數(shù)采用相同的定子槽型；對(duì)轉(zhuǎn)子部分而言，建議同一中心高、極數(shù)下的槽型，導(dǎo)條部分尺寸保持一致，槽口寬保持一致，為調(diào)節(jié)啟動(dòng)電流轉(zhuǎn)子槽口高可進(jìn)行適當(dāng)變化。這樣，配合定、轉(zhuǎn)子槽沖模的合理設(shè)計(jì)，制造廠家的槽沖模數(shù)量可大幅下降，降低維護(hù)費(fèi)用、出錯(cuò)率及生產(chǎn)制造成本。

1.2 轉(zhuǎn)子沖片

參考國內(nèi)市場高壓異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)，我們需著重考慮減少轉(zhuǎn)子軸孔模的數(shù)量。目前高壓異步電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔(特別是H500 mm及以下中心高的電機(jī))一般位于轉(zhuǎn)子沖片上，為提高生產(chǎn)效率，轉(zhuǎn)子沖片軸孔和通風(fēng)孔用一個(gè)模具同時(shí)沖出。

根據(jù)軸孔模的特點(diǎn)，一般建議轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)徑到通風(fēng)孔的底部切線(圓形通風(fēng)孔)或底部弧線(扇形通風(fēng)孔)選用固定值。此尺寸的選擇是否合理可通過以下條件判定：首先需核算轉(zhuǎn)子沖片的機(jī)械強(qiáng)度是否滿足要求；其次通過核算轉(zhuǎn)子槽底到通風(fēng)孔之間的磁密與沖片內(nèi)徑到通風(fēng)孔之間的磁密分布，來判斷尺寸是否合理。4～12P的電機(jī)可從通風(fēng)面積、電磁方面綜合考慮將此尺寸劃分為2～3檔(建議2檔)。

隨著電機(jī)極數(shù)增加，轉(zhuǎn)子外圓尺寸變大，定轉(zhuǎn)子氣隙變小，對(duì)于系列電機(jī)電磁方案的設(shè)計(jì)來說是一個(gè)挑戰(zhàn)，此時(shí)需兼顧考慮撓度與大極數(shù)最大功率(影響最長鐵心)。簡單來說，要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，以4P、6P系列方案計(jì)算為基準(zhǔn)，在電磁、機(jī)械允許(主要是屈服強(qiáng)度)的情況下設(shè)計(jì)盡可能大的通風(fēng)孔，之后其余極數(shù)以4P、6P方案為參考，保持一致。

1.3 定子線圈

依據(jù)系列電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，電壓為10 kV，額定功率900 kW及以下的電機(jī)，其定子線圈大量采用N型繞線的工藝，但N繞法有相對(duì)高的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)以及較高的制造成本等缺陷。隨著線圈制造設(shè)備及制造工藝水平的提升，目前電機(jī)行業(yè)內(nèi)逐步傾向于使用單匝線圈?；谝陨媳尘?，6 kV級(jí)與10 kV級(jí)電機(jī)的定子內(nèi)徑與槽型很難保持一致，10 kV級(jí)電機(jī)內(nèi)徑往往比6 kV級(jí)內(nèi)徑尺寸小，槽型相對(duì)瘦高。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與質(zhì)量、成本方面的考慮需要根據(jù)不同企業(yè)的綜合能力來評(píng)估。

2 主要部件

2.1 機(jī)座

高壓異步電動(dòng)機(jī)方箱式機(jī)座的推廣使電機(jī)機(jī)座的通用化程度實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的提升。但目前方箱機(jī)座內(nèi)部零部件尺寸大多與電機(jī)定轉(zhuǎn)子偏心以及電機(jī)鐵心長相關(guān)，造成同一中心高、同一極數(shù)的電機(jī)機(jī)座無法通用，對(duì)于制造企業(yè)來說機(jī)座實(shí)際物料數(shù)量依然很多，從根本上限制了電機(jī)機(jī)座預(yù)投產(chǎn)的可能。

我們可以通過對(duì)電磁方案、機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理安排，將電機(jī)定轉(zhuǎn)子偏心統(tǒng)一，將機(jī)座內(nèi)部零部件尺寸與鐵心長脫離關(guān)系，實(shí)現(xiàn)每個(gè)中心高電機(jī)采用同一通用機(jī)座，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)座的模塊化預(yù)投產(chǎn)。電機(jī)機(jī)座的預(yù)投產(chǎn)，一方面可解決機(jī)座的生產(chǎn)瓶頸問題，還可有效地解決因?yàn)樯a(chǎn)周期短機(jī)座無法充分釋放應(yīng)力的問題，從而提高機(jī)座質(zhì)量的穩(wěn)定性。

2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)軸

高壓異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸主要有光軸和焊筋軸兩種結(jié)構(gòu)。電機(jī)轉(zhuǎn)軸影響生產(chǎn)周期主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是焊筋軸結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸，由于生產(chǎn)工序以及自身特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，是影響電機(jī)生產(chǎn)周期一個(gè)主要瓶頸；另一方面則由軸的通用化程度低導(dǎo)致，如同一中心高采用不同的轉(zhuǎn)軸直徑等等，導(dǎo)致軸錠的尺寸種類很多，很難實(shí)現(xiàn)預(yù)投產(chǎn)。

如何取消焊筋軸結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)軸的尺寸統(tǒng)一是系列電機(jī)開發(fā)中應(yīng)該思考的問題。根據(jù)系列開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，H630 mm及以下中心高的高壓異步電動(dòng)機(jī)可以通過在轉(zhuǎn)子沖片上開通風(fēng)孔的方式，實(shí)現(xiàn)光軸代替焊筋軸的目標(biāo)。另外，通過機(jī)械、電磁及通風(fēng)的綜合計(jì)算考量，可以實(shí)現(xiàn)同一中心高軸徑、各尺寸的統(tǒng)一。光軸生產(chǎn)工藝簡單，可以大幅縮短生產(chǎn)周期；另外軸徑的統(tǒng)一，轉(zhuǎn)軸精加工尺寸只與電機(jī)鐵心長相關(guān)，則軸錠尺寸種類大幅減少，達(dá)到一個(gè)中心高電機(jī)僅有空空冷和空水冷兩個(gè)規(guī)格軸錠的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了軸錠的模塊化預(yù)投。

轉(zhuǎn)軸材料采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)思路，根據(jù)負(fù)載、電機(jī)工況的差異，統(tǒng)一轉(zhuǎn)軸材料種類，大幅縮減生產(chǎn)周期壓力，解決電機(jī)生產(chǎn)周期瓶頸的問題。

2.3 軸承

H355～H630 mm中心高、4～12P電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置推薦采用滾動(dòng)軸承，可根據(jù)用戶需求配置滑動(dòng)軸承。根據(jù)系列電機(jī)容量及轉(zhuǎn)子相關(guān)數(shù)據(jù)，同中心高、不同極數(shù)電動(dòng)機(jī)通用一種軸承選型，綜合考慮各類附加要求設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸承。據(jù)此，可實(shí)現(xiàn)同中心高電機(jī)軸伸端和非軸伸端各采用一種規(guī)格軸承，從而實(shí)現(xiàn)軸承的模塊化預(yù)投產(chǎn)。(根據(jù)軸承的性能最優(yōu)選擇、成本綜合因素以及電機(jī)轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)的不同，H560 mm和H630 mm中心高可每中心高分兩類考慮，不影響整體通用化程度)

2.4 端蓋

端蓋與軸承套采用一體化新結(jié)構(gòu)，不但有助于提升電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)性能指標(biāo)，同時(shí)有助于軸承散熱以及端蓋的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。而與機(jī)座、軸承相配合的端蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)每中心高電機(jī)軸伸端與非軸伸端各采用一種端蓋，從而實(shí)現(xiàn)端蓋的模塊化預(yù)投產(chǎn)。

2.5 冷卻器

綜合考慮電機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)阻、損耗與優(yōu)化后的電機(jī)損耗，設(shè)計(jì)冷卻器、冷卻器管材排布與外殼腔體的結(jié)構(gòu)，通過合理規(guī)劃減少冷卻器的規(guī)格種類，實(shí)現(xiàn)冷卻器的模塊化預(yù)投產(chǎn)。

3 配套輔助部件

配套輔助部件是出線盒，冷卻器，軸承部件等，此類部件采用通用化、模塊化以及更高的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)理念。

3.1 軸承進(jìn)油裝置

通過采用軟管新結(jié)構(gòu)，大大簡化了軸承進(jìn)油嘴結(jié)構(gòu)，各中心高電機(jī)統(tǒng)一采用一種形式的進(jìn)油嘴，實(shí)現(xiàn)模塊化預(yù)投產(chǎn)。

3.2 空間加熱器

電機(jī)用空間加熱器根據(jù)電機(jī)情況盡可能統(tǒng)一系列電機(jī)中加熱器的類型，但是規(guī)格可以多樣。在規(guī)格多樣的情況下，可以通過一定的設(shè)計(jì)，只是電阻絲不同但確保安裝尺寸一樣。通過加熱器本體與電機(jī)蓋板結(jié)合的方式，將加熱器的安裝尺寸統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)模塊化預(yù)投產(chǎn)。此外還可以統(tǒng)一加熱器出線盒，主出線盒，中性點(diǎn)出線盒孔的尺寸，使其在提供加熱效果的同時(shí)保證標(biāo)準(zhǔn)化、易安裝性以及美觀性。

3.3 出線盒

電機(jī)出線盒包括主出線盒、中性點(diǎn)出線盒、加熱器出線盒和測量出線盒。主出線盒和中性點(diǎn)出線盒的設(shè)計(jì)首先要依據(jù)相關(guān)電氣方面標(biāo)準(zhǔn)，保證電氣距離的前提下，統(tǒng)一出線盒外部尺寸。接口尺寸若整個(gè)系列中無法統(tǒng)一，可通過使用過渡座來統(tǒng)一尺寸。過渡座的引入一方面可為電機(jī)電纜提供引線空間，另一方面對(duì)提高出線盒的通用化有很大的意義。

加熱器出線盒和測量出線盒可根據(jù)電機(jī)具體情況做通用化設(shè)計(jì)。

3.4 其他細(xì)節(jié)

標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)方面需綜合考慮，各零部件所使用的材料種類盡量統(tǒng)一，電機(jī)蓋板厚度盡量統(tǒng)一，此外電機(jī)所使用的緊固件的種類也要盡量統(tǒng)一，這樣可以提高電機(jī)維護(hù)的方便性，減少維護(hù)工具的種類，提升用戶安裝、維護(hù)體驗(yàn)。

4 結(jié)語

通過上文闡述的設(shè)計(jì)理念，高壓異步電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)可基本實(shí)現(xiàn)零部件預(yù)投產(chǎn)的目標(biāo)。其后的生產(chǎn)方式即可轉(zhuǎn)變?yōu)椋褐饕考团涮纵o助部件均為零部件庫存，具體生產(chǎn)訂單生成之后，定制電機(jī)核心部件；核心部件生產(chǎn)完成后，提取主要部件及配套輔助部件庫存，進(jìn)行電機(jī)整機(jī)裝配，總裝配完成后電機(jī)即可出廠發(fā)往用戶現(xiàn)場使用。此生產(chǎn)方式實(shí)現(xiàn)兩大優(yōu)勢：1)大幅縮短交貨期；2)減少整機(jī)庫存，實(shí)現(xiàn)零部件庫存的目標(biāo)。

以上是上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司最新推出的高壓異步電動(dòng)機(jī)系列在系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化方面所踐行的設(shè)計(jì)理念以及取得的進(jìn)展的簡單介紹與分享。