高功率密度高效率高压三相异步电动机的研制

邓尧强， 郑国丽， 周黎民， 于 冰， 王 伟， 董江东

(中车株洲电机有限公司， 湖南 株洲 412001)



高功率密度高效率高压三相异步电动机的研制

邓尧强， 郑国丽， 周黎民， 于 冰， 王 伟， 董江东

(中车株洲电机有限公司， 湖南 株洲 412001)

以YGKK450-4-1720 kW-6kV电机为例，介绍了高功率密度高效率高压三相异步电动机的研制过程及其试验结果。针对高功率密度和高效率等特点，提出了一些应对措施，如对电磁参数、内外风路结构、定转子结构等进行优化和仿真分析。通过试验及与类似电机的对比，说明了优化仿真计算的正确性，以及YGKK450-4-1720 kW-6kV电机的先进性。

高功率密度； 高压三相异步电机； 小机座； 优化设计

0 引 言

电机作为各种设备的动力源，广泛应用于各行各业，如驱动压缩机、水泵、风机等机械设备。近年来，随着财政部、国家发展改革委员会于2010年5月31日下发的《节能产品惠民工程高效电机推广实施细则》的推行，高效率电机国家标准如GB 30254—2013《高压三相笼型异步电动机能效限定值及能效等级》等的颁布和实施，高效率高压电动机逐渐得到广大用户、社会和企业的认可和接受。

中车株洲电机有限公司研制的YGKK450-4-1720kW-6kV型高功率密度高效率高压三相异步电动机，顺应了这一潮流。与普通高效率高压电机相比，它具有输出功率大、小机座、噪声低和效率高等特点，跨入国内先进水平的行列。按照机械行业标准JB/T 10315.2—2002，6000V、4极、1720kW封闭式电机应安排在H630中心高机座，现在降低3个中心高安排在H450机座，这就要求必须采取足够的措施来保证电机在机械和电气等方面的可靠性，并确保各项指标的实现。

1 电机的电磁参数

由电机设计[1-5]可知,在电机中心高一定的情况下，要想增加电机的容量，可以从两方面入手： 一方面可增加铁心的体积，包括加大铁心外径和长度；另一方面可增加电磁负荷。该电机的铁心尺寸和电磁负荷如表1、表2所示。

表1 电机铁心尺寸

由文献[6-7]可知，采用磁性槽楔能降低电机的表面损耗和脉振损耗，提高电机的效率。该电机在方案设计之初，采用有限元分析对磁性槽楔和非磁性槽楔的作用进行了计算。结果如表3所示。由表3可知，采用磁性槽楔的总损耗比非磁性槽楔的总损耗减少了5.2kW；并且磁性槽楔主要对由于磁势谐波引起的空载导条损耗Eddy Loss、空载转子损耗Core Loss和由磁势谐波引起的负载导条损耗Eddy Loss起作用，对负载定子绕组损耗Strand Loss和负载铁耗Core Loss作用不明显。

表2 电机电磁负荷

表3 磁性槽楔和非磁性槽楔对电机损耗的影响 kW

为了查找损耗更低的方案，定子槽数选取了72槽和60槽，转子槽数选取了58槽和50槽，组成了槽配合[8]72/58和60/50；转子导条型式分别选择铸铝和铜条；气隙长度[9]选择1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、3.0、5.0mm，组合成了28种组合，利用有限元分析软件对电机的损耗进行了计算。根据损耗较低的原则，并综合考虑电机的性能(如功率因数)、成本和温升等因素，最终选择了定子72槽、转子58槽，铜条转子，气隙长度2.8mm的电磁方案。限于篇幅，下面以气隙长度的选择为例进行说明。

从图1可见，在其他参数一定的情况下，电机损耗(不含机械损耗)随着气隙长度的增加而降低。图1中有一个明显的拐点，在拐点以前，电机损耗降低较快；在拐点以后，电机损耗降低较慢。随着气隙长度的增加，电机的功率因数急剧降低，如图2所示。电机的功率因数应不小于0.88，故电机的气隙长度取2.8mm较好。

2 风路结构优化

该电机的冷却方式为IC611，其冷却风路包括内风路和外风路两条冷却支路。冷却系统的优劣关系到电机设计的成败，并显著影响到电机的温升、机械损耗和噪声。在电机的损耗大幅增加的情况下，为了使电机的温升合格，机械损耗和噪声较低，在技术设计阶段，进行了通风方式的选择、冷却器管径和排列方式的选择、外风扇的优化、径向通风道数量和布置、降低噪声等一系列工作。这些在文献[10]中有详细叙述。

图1 电机损耗(不含机械损耗)和气隙长度关系图(铸铝转子、定转子槽配合72/58)

图2 电机功率因数和气隙长度关系图(铸铝转子、定转子槽配合72/58)

在最后选定的方案中，通风方式选定为轴径向混合通风，外风扇采用弧形叶片后倾式风扇，铁心径向风道数量为20个，宽度为8mm。电机的机械损耗如表4所示。

表4 电机的机械损耗 kW

因为内风路安装有外径较大的内风扇，所以内风路损耗比外风路大得多。与YKK630-4-1800kW-10kV电机相比，机械损耗大大降低，直接有利于电机效率的提升。该电机机械损耗的降低一方面得益于外风路结构和各部件的优化；另一方面得益于机座中心高降低而导致的转子外径和风扇外径的大幅减小。

3 电机结构

电机的结构跟普通高压电机一样，由冷却器、机座、定子、转子、轴承、端盖、内外风扇等部件组成。

外风扇为弧形叶片后倾式，进风罩采用渐开线式结构；外部空气由进风罩两侧及下部进入，拐弯90°后才进入外风扇入口；冷却器出口带出风罩，并在相关部位埋设了吸音材料。这样电机具有较小的机械损耗和噪声水平。

定子铁心和机座采用外压装式结构。定子绕组是普通双层叠绕短距分布绕组；机座是钢板焊接结构。利用有限元分析软件对机座的模态、动静强度、机座和铁心传递最大转矩所需的最小过盈量等进行了分析计算，在满足电机要求的情况下将机座重量由1052kg减至879kg。定子第一阶模态频率为81Hz，远大于转子由不平衡量和单边磁拉力引起的频率为25Hz的周期激励，保证电机的安全运行。由于电机铁心较长，还对定子铁心的刚度、挠度等进行了计算。

轴承结构采用两轴承结构，均为球轴承，前端为固定端，后端为自由端，并由6个弹簧对它施加一定的预紧力，以降低轴承噪声。

转子采用铜条转子结构。经计算其挠度为9.06%，临界转速为2711r/min。由于电机输出功率增加很多，普通的35钢轴伸的疲劳强度已不能满足要求，转轴材料需采用合金钢；但合金钢对应力集中更为敏感，因此需采取措施降低转轴的应力集中系数，如各退刀槽可采用应力集中系数较小的型式，并适当提高加工粗糙度。

4 试验结果

该电机在试制完成后，进行了一系列的型式试验和研究性试验，以验证电磁计算和有限元计算结果的正确性。制造时，在铁心表面、绕组层间和轴承内埋设了共52个PT100测温元件，用以检测电机稳定运行时各部分的温度。试验数据分为性能数据、温升数据两大类，如表5、表6所示。

表5 电机部分性能的计算值和试验值对比

温升数据比较多，只摘录电机绕组中间部位的6点温升、绕组平均温升、轴承温升列于表6中。从表6中可以看出，温升试验值和仿真值很接近，达到了预期效果。轴伸端轴承因处于内风路的高温气流出口处，所以温升较高。

表6 电机部分温升计算值和试验值对比 K

对于负载杂散损耗取值，第一种是采用GB/T 1032—2012《三相异步电动机试验方法》的推荐值(E1法)；另一种是应用GB/T 1032—2012中的“抽出转子试验和反转试验法”测定电机实际的负载杂散损耗(E法)。因而电机的效率也有两种，如表7所示。

表7 电机的效率

用E1法测得的电机效率达到了GB 30254—2013《高压三相笼型异步电动机能效限定值和能效等级》中规定的Ⅱ级能效(效率≥95.96%)的要求；而用E法测得的电机效率则达到了Ⅰ级能效(效率≥96.66%)的要求。

电机重量比相近功率的H560电机减少了24.8%，而比H630电机则减少了42.8%，效果十分明显。如表8所示。

表8 电机的重量 kg

5 结 语

YGKK450-4-1720kW-6kV电机的特点是输出功率大、体积小、效率高和噪声低，达到了国内先进水平，具有广阔的市场前景。电机在研制过程中，采用有限元方法和流体场仿真分析分别对某些关键参数和通风结构进行了优化、分析和计算，以达到降低损耗、提高效率、确保温升合格的目的；最后介绍了电机的试验数据和计算值的对比结果。从试验数据来看，电机的各项性能尤其是效率、温升等指标基本达到了预期要求。

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High Power Density and Efficiency Design of High-Voltage Three-Phase Asynchronous Motor

DENGYaoqiang，ZHENGGuoli,ZHOULimin，YUBing，WANGWei，DONGJiangdong

(CRRC Zhuzhou Electric Co., Ltd., Zhuzhou 412001, China)

Taking a motor YGKK450-4-1720kW-6kV as an example， the high power density and efficiency design of high-voltage three-phase asynchronous motors was introduced， and introduce the test result of the motor was introduced. Aiming at the characteristics of such as high power density and efficiency， some corresponding methods were presented， for example，the optimization and emulation of electromagnetism parameters and wind path structure and stator-rotor structure. By making a contrast with the test results and similar motors，explained the correctness of optimization and emulation，the advanced of the motor.

high power density； high-voltage three-phase asynchronous motor； small frame； optimization design

邓尧强(1970—)，男，高级工程师，研究方向为高低压三相异步电机设计。

TM 343

A

1673-6540(2016)10- 0053- 04

2016-03-25