一種冷凍機(jī)專用高壓高速開啟式三相異步電動(dòng)機(jī)

吳 瓊,陳 輝,喬建偉,杜振坤,李玉嬌,朱新年,吳小夫

(1.臥龍電氣南陽防爆集團(tuán)股份有限公司，河南 南陽 473008;2.浙江金龍電機(jī)股份有限公司，浙江 臺(tái)州 318058)

0 引 言

壓縮冷凍機(jī)是制冷系統(tǒng)的核心，通常稱為制冷機(jī)組的主機(jī)，在商用空調(diào)、工業(yè)制冷、食品冷凍、冷藏、制冰、氣體壓縮等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。對(duì)壓縮冷凍機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)制造水平有較高的要求,如：(1)高效節(jié)能，綠色環(huán)保，低能耗設(shè)計(jì)；(2)高功率質(zhì)量比，外形緊湊，輕量化設(shè)計(jì)；(3)高效的換熱系統(tǒng)，低噪，低振動(dòng)設(shè)計(jì)[2-4]。

本文研制的冷凍機(jī)專用高壓高速開啟式三相異步電動(dòng)機(jī)，型號(hào)Y500-2,3 000 hp,10 kV；防護(hù)等級(jí)IP23；安裝方式IMB35;軸承形式為滑動(dòng)軸承自潤滑；相同功率下，中心高比臥龍電氣南陽防爆集團(tuán)股份有限公司一般負(fù)載的同系列電機(jī)(YX560-2)降低了一個(gè)中心高。

1 電機(jī)電磁設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)

對(duì)標(biāo)其他電機(jī)廠相同規(guī)格電機(jī)的性能指標(biāo)，以滿足壓縮冷凍機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的嚴(yán)苛要求為目標(biāo)，設(shè)定了產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)。效率為96.5%(Ⅱ級(jí)能效)；功率因數(shù)為0.9；溫升為60 K；噪聲為85 dBA；空載振動(dòng)為2.3 mm/s；帶載振動(dòng)為2.8 mm/s。

1.2 設(shè)計(jì)輸入控制

電機(jī)的三圓、氣隙、槽型選擇、沖片材質(zhì)等如表1所示；其中定子線圈采用先進(jìn)的梯形線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，端部線圈上下層、相與相間隙更均勻，有效縮短繞組端部長度；采用先進(jìn)的減薄絕緣體系，使用磁性槽楔[5-6]，槽楔厚度為4 mm。

表1 電機(jī)基本電磁設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3 計(jì)算結(jié)果控制

磁負(fù)荷控制：定子齒部磁密不超過1.8 T；電負(fù)荷控制：定子電流密度、導(dǎo)條電流密度4.6 A/mm2，端環(huán)電流密度3 A/mm2；熱負(fù)荷控制：3 000 A/mm3。

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總 裝

該電機(jī)整體為箱式結(jié)構(gòu)，NEMA D法蘭安裝，冷卻方式為開啟式，雙軸承支撐，頂罩在電機(jī)上方。電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、接線盒、端蓋、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)等組成。電機(jī)整機(jī)圖如圖1所示。

圖1 箱式開啟式電動(dòng)機(jī)

2.2 定 子

定子主要由機(jī)座、定子鐵心、定子繞組、加熱器組成。

機(jī)座采用鋼板焊接，兩側(cè)板采用整塊鋼板折彎結(jié)構(gòu)，提高強(qiáng)度；側(cè)板內(nèi)側(cè)增加吸音棉，對(duì)電機(jī)的整體降噪有良好的效果。

定子鐵心由定子沖片、定子壓圈、筋疊壓焊接而成。定子沖片采取帶槽沉筋式焊接，滿足定子鐵心強(qiáng)度需求的同時(shí)，解決了大定子沖片外徑與中心高的匹配問題。定子鐵心最大的特點(diǎn)是新設(shè)計(jì)減薄的齒狀定子壓圈結(jié)構(gòu)，如圖2所示，與以往帶齒壓板、定子壓圈結(jié)構(gòu)相比，直接減少定子鐵心軸向長度50 mm，同時(shí)提高了壓圈對(duì)鐵心齒部的壓力，使定子鐵心疊壓后，能夠保證片間壓力，避免了因?yàn)槠g壓力不足引起的電機(jī)振動(dòng)、異響及損耗大的問題。

圖2 定子鐵心結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖

定子繞組采用環(huán)氧酸酐樹脂[7]、含促進(jìn)劑的少膠云母帶、層壓玻璃布板的絕緣體系，有效提高了線圈的絕緣性能、防潮性能及防電暈性能。其特點(diǎn)在于使用了先進(jìn)的減薄絕緣體系，主絕緣厚度為4.0 mm，整體提升電動(dòng)機(jī)定子線圈的散熱性能；采用了先進(jìn)的梯形線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示，端部線圈上下層、相與相間隙更加均勻，且有效縮短了繞組端部長度，進(jìn)而縮短軸系的軸向距離。

圖3 梯形線圈

定子線圈端部增加內(nèi)擋風(fēng)圈結(jié)構(gòu)，如圖4所示。在支撐線圈端部機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，可作為內(nèi)風(fēng)路冷卻風(fēng)路的導(dǎo)流板，提高電機(jī)的散熱效率，降低電機(jī)的溫升。

圖4 定子線圈內(nèi)擋風(fēng)圈結(jié)構(gòu)

2.3 轉(zhuǎn) 子

轉(zhuǎn)子由軸、轉(zhuǎn)子鐵心、內(nèi)風(fēng)扇組成。轉(zhuǎn)軸材質(zhì)為鍛鋼42CrMo；采用剛性轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)[8]，通過轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算一階臨界轉(zhuǎn)速值為4 294 r/min，超出了額定轉(zhuǎn)速43%，一階臨界轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速避開率大于20%；轉(zhuǎn)子鐵心為銅條轉(zhuǎn)子。

內(nèi)風(fēng)扇采用對(duì)稱離心風(fēng)扇，安裝在端環(huán)上、繞組端部下方，可有效縮短轉(zhuǎn)軸的軸向距離。內(nèi)風(fēng)扇質(zhì)量輕，減少機(jī)械損耗，進(jìn)而提高電機(jī)效率，在保證散熱的前提下，對(duì)電機(jī)的噪聲降低有顯著的效果。同時(shí)在風(fēng)扇的幅板上預(yù)留平衡孔，用于轉(zhuǎn)子平衡時(shí)固定平衡塊，取消了原有的獨(dú)立平衡環(huán)結(jié)構(gòu)，減少了軸向安裝平衡環(huán)的空間。

2.4 軸 承

該電機(jī)采用滑動(dòng)軸承自潤滑，為了解決滑動(dòng)軸承漏油和2P自潤滑軸承溫升高的問題[9]，滑動(dòng)軸承采用德國RENKEM9S軸承,如圖5所示。與國內(nèi)外廠家普遍采用的EF(A型軸承)、EM(B型軸承)滑動(dòng)軸承相比，在相同軸承臺(tái)的尺寸下，EM9S軸承體積小，軸承座外鑄有散熱片，散熱面積大，散熱效果好,滿足自潤滑軸承溫度的要求。

圖5 EM9S軸承

該電機(jī)滑動(dòng)軸承潤滑油牌號(hào)為L-TSA32(ISO VG32)，軸承牌號(hào)如表2所示。

表2 軸承牌號(hào)

2.5 接線盒結(jié)構(gòu)

高壓主接線盒安裝在電動(dòng)機(jī)右側(cè)，接線盒設(shè)計(jì)滿足NEMA和GB相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP56，內(nèi)部接線空間充足，接線空腔大，滿足用戶安裝互感器的要求。接線盒下方帶有泄壓孔，滿足用戶對(duì)短路容量的要求[10]，避免短路故障對(duì)設(shè)備和人員造成的損傷。

測溫接線盒采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，接線盒外形美觀、通用性強(qiáng)，防護(hù)等級(jí)可達(dá)IP66。外形尺寸、出線口規(guī)格、模塊安裝等可根據(jù)用戶要求進(jìn)行配置，方便靈活。根據(jù)需要可以安裝“黑匣子”、避雷器、溫度變送器等儀表，實(shí)現(xiàn)了在線測量、顯示、遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ堋?/p>

加熱器接線盒采用不銹鋼或鑄鋁結(jié)構(gòu)，內(nèi)部端子、出線口規(guī)格可以根據(jù)用戶要求配置。

2.6 端 蓋

NEMA D法蘭安裝的B35電機(jī)，如圖6所示。采用法蘭端蓋設(shè)計(jì)，由于壓縮機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩變化較大，法蘭端蓋受力較大，綜合考慮法蘭端蓋的強(qiáng)度、剛度，外形尺寸要盡量緊湊。同時(shí)，考慮滑動(dòng)軸承安裝、拆卸、檢修方便。法蘭端蓋采用鋼板焊接，支撐筋采用梯形結(jié)構(gòu)，且支撐筋的尺寸和位置進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，方便軸承安裝、拆卸、檢修。

圖6 NEMA D法蘭端蓋

2.7 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

通風(fēng)散熱、噪聲是開啟式2P高壓電機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。該電機(jī)風(fēng)路設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

(1)內(nèi)風(fēng)扇為對(duì)稱離心風(fēng)扇，直接固定在轉(zhuǎn)子端環(huán)上，用于冷卻定子繞組端部。轉(zhuǎn)子鐵心中各通風(fēng)道的通風(fēng)槽板也相當(dāng)于離心風(fēng)扇，用于冷卻定子鐵心。

(2)電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)結(jié)構(gòu)采取定轉(zhuǎn)子通風(fēng)道不對(duì)齊、線圈端部設(shè)計(jì)擋風(fēng)圈等多種方案相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在電機(jī)內(nèi)部熱風(fēng)被順暢帶走的同時(shí)，有效降低了電機(jī)通風(fēng)噪聲和電磁噪聲。

(3)頂罩設(shè)計(jì)可以滿足NEMA標(biāo)準(zhǔn)WPII的防護(hù)要求，通風(fēng)散熱、消音降噪系統(tǒng)采取多曲路、“W”型風(fēng)路設(shè)計(jì),如圖7所示，該結(jié)構(gòu)加長了冷卻風(fēng)路的路徑，同時(shí)讓高壓高速的冷卻風(fēng)路充分與消音降噪材料接觸，達(dá)到良好的降噪效果，開啟式2P電機(jī)噪聲達(dá)到82 dBA。

圖7 “W”型消音頂罩

3 電動(dòng)機(jī)實(shí)際達(dá)到的性能指標(biāo)

效率、功率因數(shù)等性能使用實(shí)際負(fù)載測試采用B法/C法或E1法，不允許采用等效負(fù)載H法圓圖法進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)更接近實(shí)際[11-13]。

電機(jī)試驗(yàn)得到實(shí)際效率為96.85%，滿足GB 30254—2013能效標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ級(jí)能效[14]；繞組溫升42 K，軸承溫升31 K；空載振動(dòng)速度值RMS為1.4 mm/s；帶載振動(dòng)電機(jī)按照美國全國電氣制造商協(xié)會(huì)(NEMA)要求，需安裝在NEMA D法蘭支架上，振動(dòng)速度RMS為2.5 mm/s；實(shí)際噪聲為82 dBA。

與設(shè)計(jì)指標(biāo)相比，電機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果性能更優(yōu)異，超出設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4 產(chǎn)品的先進(jìn)性

4.1 高效節(jié)能

電機(jī)效率達(dá)到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)》[14]中Ⅰ級(jí)能效指標(biāo)要求，能耗試驗(yàn)通過第三方性能檢測。

4.2 高轉(zhuǎn)速下低振動(dòng)等級(jí)

開啟式2P電機(jī)轉(zhuǎn)速高，彈性基礎(chǔ)支撐，轉(zhuǎn)子按剛性轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，一階臨界轉(zhuǎn)速和額定工作轉(zhuǎn)速避開率大于20%，避免運(yùn)行時(shí)發(fā)生共振；轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速動(dòng)平衡，將殘余不平衡量控制到最小，平衡精度控制在G1.0及以下；通過機(jī)座模態(tài)分析，合理設(shè)計(jì)機(jī)座強(qiáng)度，定子沖片采取帶槽沉筋式焊接，增加定子鐵心強(qiáng)度。電機(jī)空載振動(dòng)速度值1.4 mm/s，負(fù)載下振動(dòng)速度值2.5 mm/s，滿足了用戶的低振動(dòng)等級(jí)要求。

4.3 高效通風(fēng)散熱、低噪聲等級(jí)

開啟式2P電機(jī)空載噪聲指標(biāo)聲壓級(jí)≤82 dB，與同行業(yè)其他電機(jī)相比低了5～8 dB，與國外同行業(yè)其他電機(jī)相比低了3～5 dB。大幅度降低電機(jī)運(yùn)行環(huán)境的噪聲輻射，符合職業(yè)健康安全法律法規(guī)，為現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)人員提供舒適的工作環(huán)境。

5 結(jié) 語

壓縮冷凍機(jī)行業(yè)屬資本和技術(shù)密集型行業(yè)，全球壓縮機(jī)制造業(yè)形成了相對(duì)壟斷的局面，目前國內(nèi)制冷與空調(diào)用壓縮機(jī)的生產(chǎn)廠商多數(shù)為外資在國內(nèi)的合資、獨(dú)資企業(yè)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)也處于國外電機(jī)壟斷局面。本文研制的冷凍機(jī)專用高壓高速開啟式三相異步電動(dòng)機(jī)，作為壓縮冷凍機(jī)專用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，專為國內(nèi)外壓縮冷凍機(jī)廠打造原動(dòng)機(jī)設(shè)備，有望打破國外電機(jī)的壟斷局面。

另外本文設(shè)計(jì)的電機(jī)，解決了現(xiàn)有電機(jī)存在的損耗大、功率低、可靠性差、振動(dòng)噪聲容易超標(biāo)等問題；提升了電機(jī)產(chǎn)業(yè)的核心競爭力和技術(shù)含量，提高了產(chǎn)品附加值；在高效、高功率密度、結(jié)構(gòu)緊湊輕量化、低振動(dòng)、低噪聲等方面取得了創(chuàng)新式突破，填補(bǔ)了壓縮冷凍機(jī)專用電機(jī)領(lǐng)域的空白。為國家節(jié)能減排、電動(dòng)機(jī)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步貢獻(xiàn)了一份力量。