紧凑型绕线转子电动机结构设计与性能对比分析

(国家防爆电机工程技术研究中心，黑龙江佳木斯 154002)

0 引言

90年代以来，以西门子1LA1、1LL1系列和ABB公司HXR系列为代表的新一代全散热片式电动机，无论是在外观造型上还是在运行性能方面，其技术水平都高于国产YZR系列电动机。2004年，我公司主持设计了YZR3系列起重及冶金用绕线转子三相异步电动机，目的是促进国产全散热片电动机的研制和发展，力争在电动机的外观、制造水平以及运行性能上接近或达到国际先进水平，以推动我国起重及冶金用电动机的设计制造水平。虽然YZR3系列电机基本上已经与国际先进产品“接轨”，并且在结构、性能、节约方面均较YZR系列电机有很大的进步，但是在电机容量上，还是与国外公司有一定的差距。针对这一差距，本文对YZRJ 315紧凑型起重及冶金用绕线转子三相异步电动机结构进行分析并与YZR3及西门子电机进行对比分析(本文以YZRJ 315-4 315kW为例)。

1 总体结构及主要零部件结构

1.1 电机总体结构

YZRJ 315紧凑型绕线转子电动机的总体结构如图1所示。

图1电机总体结构图

1.2 主要零部件结构

1.2.1 机座

采用铸铁机座圆筒结构，偏心圆平行散热片见图2，散热片间距最小22，每个方向16根散热片，最长64、最短40，材质：球墨铸铁QT450-10。

图2偏心圆平行散热片

与YZR3 315电机机座重量、材质对比见表1。

表1 重量、材质对比图

从表1可以看出YZRJ 315机座重量要低于YZR3 315电机机座重量，节约电机成本。

YZRJ 315电机机座铸件采用两种材质HT200及QT450-10使用ANSYS分析结果分别见图3、图4。

图3及图4两种材质机座属性的对比分析结果见表2。

表2 两种材质机座属性的对比分析

由表2可见，球墨铸铁性能优于灰铸铁。若使两种材质的机座具有相同的属性，则灰铸铁材质的机座需增大强度设计，在电机铸件厚度上有所增加，其铸件增加的重量成本与采用球墨铸铁增加的价格成本相当，所以YZRJ 315电机机座材质采用节省空间、降低重量的球墨铸铁QT450-10。

图3HT200分析结果

图4QT450分析结果

1.2.2 转轴结构

转轴为实心轴，为达到与西门子电机互换的目的，轴伸尺寸与西门子样机相同为φ90。材料为42CrMo。下面对转轴强度进行核算。

按抗扭强度校核轴伸直径：针对转矩最大的功率档进行轴伸校验

42CrMo的屈服强度σs≥650MPa，则42CrMo的许用扭转切应力为

式中，ns—安全系数，取ns=2.5。

根据《电机设计》，轴伸最小直径计算公式

式中，电机过载系数K=2.8倍，并且电机轴伸带一个键槽，轴径增大6%、正反转增大1.3倍的原则，计算结果为φ86<φ90，合格。

同时，对电机轴的三维模型，对电机进行轴伸扭转强度的ANSYS对比分析，计算结果见图5。

图5电机轴的三维模型计算结果

从图5可以看出，轴伸屈服力最大在310.2MPa，比42CrMo钢的屈服强度650MPa小很多，而且裕度很大。

2 性能对比分析

本文针对YZRJ 315紧凑型绕线转子电动机与西门子电机进行了性能对比。

功率等级及参数对比见表3(设计值对比西门子样本性能数据)，表4(YZRJ与YZR3功率对比)，重量对比见表5。

表3 功率等级及参数对比

从表3、表5可以看出，西门子与YZRJ电机数据对比：额定电流、转速、重量基本相当，最大转矩倍数也在标准值2.8倍以上，转子开路电压与西门子电机电压380V情况下的开路电压相当，转动惯量也与西门子相当,性能完全可以达到和西门子电机互换。

从表4可以看出YZRJ 315的功率等级高于YZR3的功率等级。

表4 YZRJ与YZR3功率对比

表5 重量对比

3 结语

YZRJ 315紧凑型起重及冶金用绕线转子三相异步电动机涵盖了YZR3 355中心高及YZR3 400中心高第一档功率等级，所以YZRJ 315紧凑型起重及冶金用绕线转子三相异步电动机的开发可节约材料、降低成本、减少制造工时，创造更多利润。

YZRJ 315紧凑型起重及冶金用绕线转子三相异步电动机可以完全替代西门子1LT8系列315中心高绕线电机，并拓展了西门子1LT8 314-318系列电机功率等级，进一步引领我国起重冶金机电行业的发展方向，为后续紧凑型起重及冶金用绕线转子三相异步电动机的系列研发打下坚实基础。