符合尼玛标准的防爆超高效三相异步电动机研制

2011-06-02王少景

电机与控制应用 2011年2期

王勃，王少景

(1.东华大学，上海 201600;2.上海睿达电气有限公司，上海 200333)

0 引言

防爆电动机是适应在石油、化工、煤炭等行业运行的电动机。由于这些行业的工艺流程的连续性，使用防爆超高效电动机是最符合节能减排、绿色环保的运行方式。因此美国、加拿大等国的电机公司在推出一般用途超高效三相异步电动机的同时，积极研发防爆超高效三相异步电动机，以争取这块最大的特种电机市场。

本文介绍的防爆超高效三相异步电动机，符合美国、加拿大等国市场使用的防爆超高效三相异步电动机(以下简称电动机)的要求。

1 电动机的主要参数与要求

1.1 电动机的使用场所及性能要求

符合尼玛标准的防爆超高效三相异步电动机，使用在1类1区C，D组;2类1区E，F，G组，具有爆炸危险气体与粉尘环境的场所。温度组别T3C(≤160℃)。电动机的防爆性能符合:

(1)UL674-1996，使用Ⅰ区危险场所的电动机和发电机;

(2)CSA C22.2 No.145-M1986，使用危险场所的电动机和发电机;

(3)IEEE841-2001 500HP及以下石油化工恶劣环境用全封闭扇冷(TEFC)笼型感应电动机。

1.2 电动机性能

电动机的一般性能符合下列标准:

(1)NEMA MG1-2006，电动机和发电机;

(2)UL1004-2003，电动机;

(3)IEEE112—1996，多相感应电动机和发电机试验方法。

1.3 电动机的其他要求

A型和 B型设计，防护等级 IP55，60 Hz和50 Hz，F级绝缘，全封闭风扇冷却方式。使用系数为1.15(60 Hz)或1.0(50 Hz)，电压为230/460 V(60 Hz)或190/380 V(50 Hz)，功率为1～300 HP，机座号为 143T～449TS，同步转速为3 600、1 800、1 200 r/min，可以实现 F1、F2 的转换，结构派生C法兰、D法兰。

1.4 电动机型谱

电动机型谱如表1所示。

1.5 60 Hz运行时的效率

60 Hz运行时的效率如表2所示。

1.6 50 Hz运行时的效率

50 Hz运行时的效率如表3所示。

2 UL的分类、分组和分区与防爆审查

由于电动机需要送美国保险商实验室(UL)或加拿大标准协会(CSA)进行防爆认证，本文对UL作简要介绍。

表2 电动机的满载效率(60 Hz)

UL是著名的认证机构，在美国和国际危险场所的认证工作迄今已有近90年历史。UL关于危险场所的分类、分区和分组如下。

2.1 分类

UL关于爆炸危险场所用的分类有三个:

(1)I类，可燃性气体、蒸汽和液体;

(2)II类，可燃性粉尘;

(3)III类，可燃性纤维和飞絮飞扬物。

2.2 分组

各种气体与粉尘分成不同的组，最高的易爆气体组是A组，之后的组表示引爆能力越来越弱，例如:B组，然后C组，等。以下是与各组有关的部分气体或可燃性粉尘:

(1)A组，乙炔;

(2)B组，氢气、丁二烯、乙烯氧化物或丙烯氧化物;

(3)C组，环丙烷、乙烷、乙烯;

表3 电动机的满载效率(50 Hz)

(4)D组，丙酮、乙醇、氨气、苯、合成苯、丁烷、汽油、己烷、天然气、丙烷;

(5)E组，金属粉尘包括铝、镁以及铝镁合金;

(6)F组，炭黑、木炭、煤或煤炭粉尘;

(7)G组，面粉、淀粉、谷类、易燃塑料和化学粉尘。

2.3 分区

UL关于爆炸危险场所用的分区有三种:

(1)0区，在正常运行条件下，可燃性气体、蒸汽或液体的可燃性浓度可能在所有时间，或长期存在的场所。

(2)1区，在正常运行条件下，可燃性气体、蒸汽或液体的可燃性浓度以及可燃性粉尘的浓度在所有时间或某些时间可能存在的场所。

(3)2区，在正常运行条件下，可燃性气体、蒸汽或液体的可燃性浓度以及可燃性粉尘的浓度不可能存在，仅在设备故障情况下存在的场所。

2.4 防爆认证

电动机需送UL或CSA进行防爆认证，防爆审查分为图纸审查和样机审查两部分。取证一般应取在美国和加拿大均使用的证书。

3 结构设计

3.1 电动机主体结构

全系列电动机的机座和端盖均采用铸铁制造，机座上的散热筋与端盖上的加强筋采用了垂直、平行分布方式，散热筋之间使用了非等距分布与非同心圆的组合方式，保证有足够的强度和良好的散热能力与铸造工艺性，还具有优美的外观型式。

转子采用了可靠的铸铝结构，导条和转子铁心之间有很好的热耦合性。铸铝转子表面经防腐处理，以二次热套的方式与转轴装配后，经高精度动平衡以保证电机振动小、噪声低。

采用了优化设计的离心风扇，可根据采购商的要求分别设计为防静电塑料与铸铝合金两种材料。端罩也分别设计为铸铁与钢板两种，以适应采购商要求电机使用在一般环境与恶劣环境的不同场合。

轴承采用优质滚动轴承，润滑脂为高质量、温度范围宽的防锈润滑油脂。从H140～210中心高，电动机使用全封闭轴承;从H250～440，电动机采用深沟球轴承，并设计有注排油装置。

电动机可以安装防冷凝加热器，可以安装热敏电阻或温控开关。接线盒设计有专门的进线锥管螺纹口。

3.2 电动机的防爆结构要点

(1)电动机的机座、接线盒、端盖、轴承内盖均采用HT250高强度铸铁，最小壁厚满足UL的规定。这些结构件在精加工后均经过1 MPa的水压试验，以不变形为合格。

(2)轴贯通采用迷宫式防爆曲路，轴承内盖与端盖、端盖与机座采用圆筒防爆面，接线盒座与接线盒盖采用平面防爆面。防爆结合面参数均符合UL的规定。

(3)接线盒采用浇封型导管接线盒，浇封材料为经UL或CSA认证许可。

(4)电动机的防尘结构主要分为机座与轴贯通两部分。机座与端盖径向端面间隙尽可能减小;轴贯通部分:H140～210为V型环加外防尘盖，H250～440为甩油环加防尘盖，即设计4个及以上90°的折弯曲路，防止粉尘进入轴承室。

(5)螺纹与螺纹连接符合UL的规定。

4 降低损耗的若干措施

经认真分析，采用以下技术措施降低电动机的定子损耗、转子损耗、铁耗、机械耗以及杂散损耗以及振动、噪声。

4.1 降低定子铜耗(PCU1)

定子铜耗PCU1计算公式为

降低定子铜耗的措施有:

(1)缩短绕组端部长度以及伸出铁心的直线部分长度等;

(2)减薄绝缘，由0.35厚的槽绝缘改为0.25厚，提高了定子槽的利用率;

(3)提高槽满率，并选用较大的线规。

(4)采用新型的定子绕组，减少铜耗与杂散损耗。

4.2 降低转子铝耗(PAL2)

转子铝耗PAL2计算公式为PAL2=R2

该设计全系列电动机采用铸铝转子。降低转子铝耗的措施有:

(1)采用截面积较大的转子槽形，增大转子端环面积;

(2)使用特二级铝，纯度99.6%，浇注前化验含锰量不大于0.3%;

(3)精炼，使用前应充分精炼除气除渣后方可使用;

(4)采用离心铸铝，增大转子导条接触电阻，减小损耗;

(5)采用转子铁心的磷化处理措施。

4.3 降低铁耗(PFe)

铁心损耗PFe的估算公式为

式中:P1.0/50——铁心材料在频率50 Hz，磁密1 T时的单位损耗;

B——铁心平均磁密;

f——磁通交变频率;

GFe——铁心重量;

K——修正系数，考虑铁心材料经冲片、剪切等加工以及齿部或轭部磁通密度分布不均匀，气隙磁通非正弦性使损耗增加而进行的经验修正系数。

为降低铁心损耗采用以下措施:

(1)采用低损耗的优质冷轧硅钢片，减少电机的涡流损耗，该设计全系列电机使用0.5 mm厚的DW350硅钢片;

(2)调整槽形，降低磁负荷，减少基波铁损耗;

(3)增加铁心长，用较多的优质硅钢片，减少磁负荷来降低铁损耗;

(4)冲片毛刺控制在0.05及以下;

(5)定、转子冲片的叠压系数控制在0.98;

(6)定、转子冲片在冲裁后均采用退火工艺与氧化处理，消除机械应力和应变，恢复与提高硅钢片材料的磁性能。

4.4 降低机械损耗(PFw)

电动机的机械损耗PFw约占总损耗的5%，为降低机械损耗所采取的措施有:

(1)优化外风扇，在保证温升与噪声的条件下尽可能的提高风扇的效率;

(2)优化电机的风路结构，为保证风路顺畅，需保证风叶外径与风罩的间隙不大于10 mm，风罩进风口的外径小于风扇外径;

(3)采用优质滚动轴承;

(4)采用优质润滑脂，降低摩擦损耗。

4.5 降低杂散损耗(Ps)

杂散损耗Ps约占总损耗的10%，是除上述四种损耗以外的全部损耗，降低杂散损耗具体措施有:

(1)采用优化的槽配合。近槽配合杂散损耗小，效率因数及起动性能易于保证，但噪声偏大，因为需要实测杂散损耗，故选用近槽配合。

(2)采用低谐波准正弦绕组。经过深入研究和反复试验，设计采用了一种新型的低谐波准正弦绕组，其基本原理如下:

①这种绕组是一种不等匝绕组，即绕组的各个线圈具有不同的匝数，其各个线圈的匝数按线圈在空间的位置尽可能具有正弦分布。

②为了提高材料的利用率，每个槽的槽满率尽可能相同，在考虑线圈的匝数和节距时必须严格遵守这一原则。

③绕组的型式为单双层同心式绕组或双层叠绕组。

(3)采用特殊的转子加工工艺。

通过对转子加工进行反复试验，采用特殊刀具，严格控制进刀量，实施正反刀等措施达到了既省时又能降低杂散损耗的目的。

当电动机已经制造完成，经过性能试验发现杂散损耗偏大，因而造成效率指标不合格，可以采取以下措施进一步提高电动机效率:

(1)如果电动机功率因数有裕度，可以采取放大气隙的方法;

(2)采用特殊的转子表面酸洗处理工艺。

4.6 采用斜槽

铸铝转子采用了经过大量实践验证的斜槽参数，有效抑制了因高次谐波磁场产生的附加转矩和噪声。

5 典型规格的设计与试验数据

由于采取了一系列的技术措施，样机试制取得了很好的效果，表4是NEMA284-2，25HP的电气性能试验参数，其防爆认证的各项试验正在由相关认证机构加紧进行中。

6 结语

防爆电动机相对于一般用途封闭式电动机，在效率相同时，其有效材料如漆包线、硅钢片、铝导条等的使用量是一样的，仅增加了结构材料的10%～15%，工时的10%，以及防爆认证费用，而电动机的价格却增加了30%以上。因此，这对于国内电机企业积极开拓国际市场，提高经济效益以及企业自身的国际国内竞争力，有非常大的实际意义与效益。