高速高效率高功率密度電動(dòng)機(jī)的研制

霍華鋒

摘 要：以一臺(tái)YX2KK450-2 1800kW 6kV 50Hz電動(dòng)機(jī)的研制為例，從高效節(jié)能，高功率密度，通風(fēng)散熱，減振降噪，加工工藝等方面，并結(jié)合相關(guān)仿真及樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的研制取得了成功。

關(guān)鍵詞：高速；高功率密度；高效率；低噪聲

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.20.096

1 引言

近年來(lái)，隨著大型設(shè)備提高傳動(dòng)效率，優(yōu)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的推進(jìn)，高速大、中型電動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)需求量越來(lái)越大，高效節(jié)能也被提到越來(lái)越重要的位置。高壓大中型電動(dòng)機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)如GB30254-2013《高壓三相籠型異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》業(yè)已于2014年9月1日起正式實(shí)施。湘潭電機(jī)公司通過(guò)對(duì)標(biāo)國(guó)際先進(jìn)電動(dòng)機(jī)制造商如SIEMENS、ABB等，研制了YX2KK450-2 1800kW 6kV 50Hz高速高效率高功率密度三相異步電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高速電動(dòng)機(jī)效率更高，體積更小，噪聲更低的目標(biāo)。

2 設(shè)計(jì)要素

2.1 總體設(shè)計(jì)

YX2KK450-2 1800kW 6kV 50Hz高速高效率高功率密度三相異步電動(dòng)機(jī)按照機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10315.2-2013的型譜編排應(yīng)是H560機(jī)座號(hào)的最大功率檔，現(xiàn)在降低了兩個(gè)完整的中心高放在H450機(jī)座號(hào)上，必須要在電磁方案，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通風(fēng)散熱等方面采取相應(yīng)措施才能確保電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)合格。

在研制過(guò)程中運(yùn)用電機(jī)學(xué)、電磁學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)、流體理論等原理，通過(guò)三維電磁場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分析計(jì)算，結(jié)合少膠超薄絕緣結(jié)構(gòu)、采用大直徑定子外徑尺寸并加長(zhǎng)鐵芯、優(yōu)化定轉(zhuǎn)子通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)、優(yōu)化冷卻器與外風(fēng)扇及內(nèi)風(fēng)路的匹配設(shè)計(jì)、優(yōu)化定子線圈端部的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，采用新型擋風(fēng)板、優(yōu)化機(jī)座結(jié)構(gòu)、優(yōu)化工藝參數(shù)等措施。

2.2 電磁方案設(shè)計(jì)

電磁設(shè)計(jì)通過(guò)采用合理的鐵芯三圓、氣隙、槽配合，合適的絕緣結(jié)構(gòu)、槽形結(jié)構(gòu)，優(yōu)選高性能硅鋼片及槽楔材料，優(yōu)化電、磁、熱等負(fù)荷的選取，合理分配各項(xiàng)損耗。電磁設(shè)計(jì)采用路場(chǎng)結(jié)合，首先根據(jù)性能指標(biāo)采用磁路法進(jìn)行電磁方案計(jì)算，然后進(jìn)行二維電磁場(chǎng)和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析，得出優(yōu)化的電磁方案。該電動(dòng)機(jī)的定子鐵芯尺寸及電負(fù)荷、磁負(fù)荷如表1、表2、表3所示。

2.3 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高速電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要圍繞增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低電動(dòng)機(jī)振動(dòng)進(jìn)行。需對(duì)定子、轉(zhuǎn)子、端蓋等進(jìn)行必要的機(jī)械應(yīng)力、形變，振動(dòng)模態(tài)，固有頻率等進(jìn)行仿真分析，確保電動(dòng)機(jī)的可靠性。

定子鐵芯外圓焊筋，機(jī)座端板與隔板之間沿定子鐵芯周圍增加軸向支撐，形成籠型支撐結(jié)構(gòu)，增加定子結(jié)構(gòu)剛度。

轉(zhuǎn)子采用銅條轉(zhuǎn)子，為減小電動(dòng)機(jī)冷態(tài)振動(dòng)，防止熱態(tài)振動(dòng)，轉(zhuǎn)子銅環(huán)采用外帶護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條采用滾擠機(jī)全長(zhǎng)擠緊，轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)軸之間不帶鍵，通過(guò)采用合適的過(guò)盈量進(jìn)行傳動(dòng)，轉(zhuǎn)軸采用鍛件軸，提高材料的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)子做高速動(dòng)平衡。

2P電動(dòng)機(jī)在降低中心高提高功率密度時(shí)一般會(huì)按撓性軸設(shè)計(jì)，鐵芯細(xì)長(zhǎng)，電動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)軸的一階臨界轉(zhuǎn)速。但是，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速爬行在一階臨界轉(zhuǎn)速附近時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)劇烈振動(dòng)，影響電動(dòng)機(jī)壽命，并且撓性軸電動(dòng)機(jī)不適合變頻運(yùn)行。本電動(dòng)機(jī)按照剛性軸設(shè)計(jì)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)時(shí)，一階臨界轉(zhuǎn)速在1.2倍工作轉(zhuǎn)速以上即可。經(jīng)計(jì)算本電動(dòng)機(jī)一階臨界轉(zhuǎn)速3641r/min，撓度4.37%。

軸承結(jié)構(gòu)采用三軸承結(jié)構(gòu)，前段為固定端，采用一球一柱雙軸承，后端為自由端，采用一柱軸承。前、后端軸承壽命計(jì)算值均在10萬(wàn)小時(shí)以上。

2.4 通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)采用IC611冷卻方式，軸、徑向復(fù)合通風(fēng)。電動(dòng)機(jī)功率密度的提高，必然需要相應(yīng)的通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)來(lái)保證，合理的風(fēng)路結(jié)構(gòu)對(duì)提高通風(fēng)換熱能力具有重要的意義，因此在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)道個(gè)數(shù)及寬度，冷卻器冷卻管分布形狀，管內(nèi)流速，外風(fēng)路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，通過(guò)內(nèi)外風(fēng)路及冷卻器的耦合分析計(jì)算，設(shè)計(jì)出優(yōu)化的風(fēng)路系統(tǒng)。

內(nèi)風(fēng)路采用對(duì)稱風(fēng)路結(jié)構(gòu)，內(nèi)風(fēng)扇采用機(jī)翼形軸流風(fēng)扇，風(fēng)量大，損耗低。

優(yōu)化冷卻器導(dǎo)風(fēng)罩及導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，采用后傾式外風(fēng)扇，蝸殼結(jié)構(gòu)外風(fēng)扇罩殼。外風(fēng)扇設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)風(fēng)量，風(fēng)壓計(jì)算出風(fēng)扇比轉(zhuǎn)速達(dá)到190，根據(jù)風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，該比轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到了軸流風(fēng)扇的范圍，但考慮到降低電動(dòng)機(jī)噪聲的要求，采用了大比轉(zhuǎn)速離心風(fēng)扇，工作點(diǎn)取在高流量區(qū)域。

本電動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷值比普通高效系列熱負(fù)荷值要高一些，一方面，考慮到主絕緣的減薄，線圈部分熱阻減小了，提高了散熱效率，定子銅線產(chǎn)生熱能有利于傳遞與散發(fā)，另一方面，改善定轉(zhuǎn)子通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)，減小定、轉(zhuǎn)子通風(fēng)道寬度，增加定、轉(zhuǎn)子通風(fēng)道數(shù)，增大轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)孔面積，提高電動(dòng)機(jī)內(nèi)部通風(fēng)面積和轉(zhuǎn)子通風(fēng)能力；增大流過(guò)定子線圈端部的流速，提高其熱交換能力。采用通風(fēng)效率高的機(jī)翼形軸流風(fēng)扇，提高電動(dòng)機(jī)通風(fēng)散熱能力，也可降低機(jī)械損耗。采用流體分析軟件及湘潭電機(jī)公司自主研發(fā)的內(nèi)外風(fēng)路耦合的創(chuàng)新計(jì)算方法對(duì)冷卻器及內(nèi)部通風(fēng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行溫升分析計(jì)算，改善冷卻器的冷卻效果。

3 樣機(jī)驗(yàn)證

以一臺(tái)YX2KK450-2 1800kW 6kV 50Hz電動(dòng)機(jī)為研制對(duì)象，采用上述措施，降低兩個(gè)中心高，即型號(hào)規(guī)格由YXKK560-2 1800kW 6kV變成YX2KK450-2 1800kW 6kV進(jìn)行樣機(jī)試制。通過(guò)型式試驗(yàn)，主要性能指標(biāo)（試驗(yàn)值）與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品比較如表4所示。

從表4數(shù)據(jù)可知：

湘潭電機(jī)公司YX2KK450-2 1800kW 6kV樣機(jī)的效率高于ABB、SIEMENS和國(guó)內(nèi)某電動(dòng)機(jī)商電動(dòng)機(jī)，高于湘潭電機(jī)公司原系列YXKK560-2 1800kW 6kV 電動(dòng)機(jī)0.35%，樣機(jī)效率值高于國(guó)家1級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)。

湘潭電機(jī)公司樣機(jī)功率因數(shù)高于ABB和國(guó)內(nèi)某電動(dòng)機(jī)商電動(dòng)機(jī)，低于SIEMENS電動(dòng)機(jī)。

湘潭電機(jī)公司樣機(jī)噪聲低于ABB電動(dòng)機(jī)1.1dB（A），低于原系列8.7 dB（A），達(dá)到了低噪要求。

湘潭電機(jī)公司樣機(jī)功率密度低于ABB，高于SIEMENS。

湘潭電機(jī)公司樣機(jī)較原系列電動(dòng)機(jī)減重3411kg，減少了38.45%。

對(duì)2P電動(dòng)機(jī)極為重要的振動(dòng)指標(biāo)，該樣機(jī)只有0.7mm/s，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的2.3mm/s。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的保證值，效率及功率因數(shù)高，振動(dòng)小，噪聲低，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

樣機(jī)型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，試制取得了成功，通過(guò)對(duì)標(biāo)ABB，SIEMENS，表明湘潭電機(jī)公司高速電動(dòng)機(jī)制造能力達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，對(duì)提高我國(guó)高速電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的推動(dòng)意義。

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