YXKK560-10 630 kW 10 kV IP54一級(jí)能效高電動(dòng)機(jī)的研制與設(shè)計(jì)

劉文忠，高沛，何淑敏

[中圖分類號(hào)] TM341

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]2095-6487 （2021） 02-0065-02

Development and Design of YXKK560-10630 kW 10 kV lP54 Grade

I Energy Efficiency and High Efficiency Motor

Liu Wen-zhong，Gao Pei，He Shu-min

[ Abstract]

As me driving equipment， motor is widely used to drwe various loads. At the same time， motor is also the equipment with the higheslenergy consumption. Taking the design process of yxkk560-10630 kw

10 kV IP54 three-phase asynchronous motor as an example， this paper introducesthe performance parameters and structural characteristics of grade I energy-efficient asynchronous motor， and points out the key measures adopted in thedesign

[ Keywords] primary energy efficiency; motor design; loss analysis; high efficiency motor

電動(dòng)機(jī)是一種使用量最人的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，被廣泛地用于化工、煤礦、水利、礦山、石油等領(lǐng)域，是最人的能耗設(shè)備，人約占工業(yè)用電量的70%。高效電機(jī)的推廣不僅可以降低企業(yè)的能耗成本，而且可以有助于緩解供電壓力、減少?gòu)U氣污染，起到保護(hù)環(huán)境的作用。

目前市場(chǎng)上高損耗的電動(dòng)機(jī)已經(jīng)被淘汰，主要是三級(jí)能效和二級(jí)能效電動(dòng)機(jī)，二級(jí)能效電動(dòng)機(jī)效率高于三級(jí)能效電動(dòng)機(jī)，而效率最高的一級(jí)能效高效電動(dòng)機(jī)還沒有被廣泛推廣，這是因?yàn)橐患?jí)能效高效電動(dòng)機(jī)的材料成本高，設(shè)計(jì)難度人，因此一級(jí)能效高效率電動(dòng)機(jī)的開發(fā)對(duì)企業(yè)和社會(huì)的發(fā)展有重要的意義。

本文以YXKK560-10 630kW lOkVIP54_相異步電動(dòng)機(jī)為例，介紹了一級(jí)能效電動(dòng)機(jī)的研制與設(shè)計(jì)過程，通過電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與電動(dòng)機(jī)損耗分析來實(shí)現(xiàn)一級(jí)能效。

1 電動(dòng)機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

型號(hào)：YXKK560-10 630kW;負(fù)載：水泵;額定電壓：10 kV

額定頻率：50 Hz;效率：95.O%;功率因數(shù)：0.78;最人轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：1.8;堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：0.7;堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)：6.0;冷卻方式：IC611。

2 電磁設(shè)計(jì)

該電機(jī)中心高為H560，選擇定子沖片外徑950 mm，轉(zhuǎn)子沖片外徑710 mm，轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)徑475 mm，定、轉(zhuǎn)子槽配合選擇90/69，該槽配合既不會(huì)產(chǎn)生同步附加轉(zhuǎn)矩，也不會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲。鐵芯總長(zhǎng)800 mm，通風(fēng)道數(shù)13。定子槽型選用開口槽，定子采用雙層疊繞組，接線方式為Y接，為削弱五次諧波和七次諧波，繞組節(jié)距選取5/6極距?？紤]到負(fù)載為水泵，水泵對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高，一般人于0.7倍額定轉(zhuǎn)矩就足夠，所以轉(zhuǎn)子槽型選用矩形槽，適當(dāng)增加轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的導(dǎo)電而積，同時(shí)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的材質(zhì)選用紫銅，紫銅的電阻小，減小轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的電流損耗，紫銅的強(qiáng)度高，能滿足轉(zhuǎn)矩的傳遞，防止斷條。

三相異步電動(dòng)機(jī)的損耗有五類，分別是鐵耗、機(jī)械損耗、定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗和雜散損耗，分別采取不同措施來降低這五類損耗，提高電機(jī)效率，具體措施如下。

本電機(jī)定子齒磁通密度1.45 T、定子軛磁通密度1.4T，轉(zhuǎn)子齒磁通密度1.35T，轉(zhuǎn)子軛磁通密度0.89T，氣隙磁通密度0.73T。

（1）鐵耗。按定子齒和定子軛的磁通密度查出鐵損系數(shù)PT1和PC1，在分別乘以定子齒和定子軛的體積即等于鐵耗，當(dāng)定子齒磁通密度1.45T、定子軛磁通密度1.4T時(shí)達(dá)到最優(yōu)比例，鐵耗較小，而且不浪費(fèi)材料。定、轉(zhuǎn)子沖片材料采用高磁感、低鐵損率的優(yōu)質(zhì)50 W3 50冷軋硅鋼片，減少磁滯損耗和渦流損耗;工藝上減少槽型毛刺，保證鐵芯緊密度，氣隙不均勻度控制為±8%，通過以上措施減少電機(jī)鐵耗。該電機(jī)鐵耗經(jīng)過分析計(jì)算為9.17 kW。

（2）機(jī)械損耗。機(jī)械損耗主要是風(fēng)扇損耗，風(fēng)扇葉片的外徑、寬度、數(shù)量、角度對(duì)風(fēng)量、風(fēng)壓以及機(jī)械耗影響很大，風(fēng)葉的外徑與風(fēng)扇損耗的3次方成正比，鳳葉寬度與風(fēng)扇損耗成線性關(guān)系。本次設(shè)計(jì)內(nèi)、外風(fēng)扇葉片均設(shè)計(jì)成后傾式結(jié)構(gòu)，選取30。傾角，減小空氣進(jìn)入風(fēng)扇的撞擊，降低風(fēng)扇損耗。增加風(fēng)葉數(shù)量，內(nèi)外風(fēng)扇均選擇17個(gè)葉片，在保持風(fēng)量不變的情況下減小風(fēng)葉寬度。冷卻器設(shè)計(jì)放棄傳統(tǒng)的矩形布管結(jié)構(gòu)，采用”M”型布管，減小風(fēng)路風(fēng)阻，來降低風(fēng)扇輸出風(fēng)壓，減小了風(fēng)扇外徑尺寸。經(jīng)計(jì)算和對(duì)比公司同型號(hào)電機(jī)，該電機(jī)機(jī)械耗約為2.2 kW。

（3）定子銅耗。定子銅耗=12R，定子采用先進(jìn)真空壓力浸漬無溶劑漆（VPI）工藝處理，不但提高了絕緣性，而且減薄了線圈絕緣，提高了槽滿率，有效地增人了導(dǎo)線的截而積，減小了電阻R，降低了定子銅耗，從而提高電機(jī)效率。該電機(jī)定子銅耗為10.3 kW。

（4）轉(zhuǎn)子銅耗。該電機(jī)設(shè)計(jì)成銅導(dǎo)條轉(zhuǎn)子，采用較人截而積的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和轉(zhuǎn)子端環(huán)，減小轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與端環(huán)的電阻以降低轉(zhuǎn)子銅耗。該電機(jī)轉(zhuǎn)子銅耗為3.62 kW。

（5）雜散損耗。三相異步電動(dòng)機(jī)的槽配合（定子槽數(shù)和轉(zhuǎn)子槽數(shù)），對(duì)電機(jī)的雜散損耗影響很人。該電機(jī)槽配合選取90/69，該槽配合能減小齒諧波。疊繞組節(jié)距采用5/6，有效削弱五次和七次相帶諧波。電機(jī)雜散損耗為6.9 kW。

效率n一功率/（功率+鐵耗+機(jī)械耗+定子銅耗+轉(zhuǎn)子銅耗+雜散損耗）。

綜上，電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)效率如表1所示。

由以上分析可知，電動(dòng)機(jī)效率滿足一級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)要求，性能經(jīng)過分析計(jì)算如表2。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式為IMB3，本產(chǎn)品主要由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、冷卻器、風(fēng)扇罩、接線盒等部分組成，定子又包括機(jī)座、定子鐵芯、定子線圈等關(guān)鍵部分，轉(zhuǎn)子方面包括轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、風(fēng)扇。

電機(jī)軸承采用滾動(dòng)軸承，脂潤(rùn)滑，型式方便拆裝，確保機(jī)組安全可靠地運(yùn)行。

機(jī)座采用多個(gè)加工后的鋼板單件焊接而成，起承受冷卻器和定、轉(zhuǎn)子鐵芯重量，固定鐵心的作用。機(jī)座有專用整機(jī)吊裝及翻轉(zhuǎn)用吊攀。定子鐵芯使用50 W3 50低損耗硅鋼片疊壓而成，采用整圓片，沖片疊壓系數(shù)不低于0.98。定子采用外壓裝，先把定子線圈裝入鐵芯，整個(gè)鐵芯帶線圈采用真空VPI浸漆、然后l‘燥，這樣繞組端部和直線部分固化成整體，增加線圈的機(jī)械強(qiáng)度。轉(zhuǎn)子采用鼠籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條為銅，導(dǎo)條與端環(huán)采用中頻焊的焊接方法，導(dǎo)條裝入轉(zhuǎn)子鐵芯后，根據(jù)導(dǎo)條長(zhǎng)度確定沖緊寬度、長(zhǎng)度、深度，選擇合適寬度的沖頭，將沖頭安裝在氣動(dòng)錘上沖緊導(dǎo)條。有效地防止導(dǎo)條竄動(dòng)，提高了轉(zhuǎn)子的整體性，防止電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中導(dǎo)條振動(dòng)。電動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

4 試驗(yàn)

該電機(jī)裝配完成后進(jìn)行型式試驗(yàn)一次性合格，土要技術(shù)參數(shù)見表3。

分析型式試驗(yàn)，可以得出，本電機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了要求.效率達(dá)到了高效電機(jī)的一級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)要求，各項(xiàng)損耗與設(shè)計(jì)值相近，通過試驗(yàn)結(jié)果分析，電機(jī)的溫升為62K，仍有裕度，為了降低電機(jī)的材料成本，可以提高電機(jī)的熱負(fù)荷，即減小定、轉(zhuǎn)子的材料，但這會(huì)引起電機(jī)的鐵耗和銅耗增加，電機(jī)效率有所下降。雖然電機(jī)效率也有裕度，但也要控制好效率不要低于標(biāo)準(zhǔn)。從另外一個(gè)方而考慮，因?yàn)殡姍C(jī)的溫升低，說明電機(jī)冷卻風(fēng)量有裕度，所以可以減小電機(jī)的內(nèi)、外風(fēng)扇，這樣機(jī)械耗會(huì)減小，電機(jī)的效率會(huì)進(jìn)一步提高。

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