适用于API 541标准的鼠笼式感应电动机的参数选择

石晓薇

摘  要  API 541为375kW（500HP）以上等级的电动机的通用规范。API 541内分别介绍了在IEC及NEC两套规范体系内电动机的制造标准及参数选择。本文针对在NEC标准下，简述电动机各项参数及附件类别的选择，常规测试的方法及相关要求。

关键词  鼠笼式感应电动机、绕组、轴承、绝缘系统、测温元件

1、概述

在国民生产生活中，电动机是将电能转化为各种机械能的主要设备，电动机广泛的应用于工业，商业，民用等诸多领域。大到三峡大坝，小到风扇马达，电动机作为各种设备的驱动动力，其稳定性，方便性，可靠性，牢固性就显得尤为重要。尤其近年来随着我国经济的高速发展，大型电动机越来越多的被应用于石油化工，电力等行业。如何选择电动机的各项参数，使其合理的应用于生产中，不仅关系到能源的经济合理利用，更直接关乎到生产人员的人身安全。

本文针对应用在石油、化工及其他工业领域、适用于API 541标准的电动机从电气参数的选择，机械参数的选择，各种附件的选择及测试、试验内容等方面进行简要的介绍。

2、电动机的分类

电动机按照工作电源主要分为：交流电动机与直流电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为：无刷直流电动机和有刷直流电动机。交流电动机可分为：交流三相电动机和交流单相电动机。

电动机按照结构和工作原理可划分为：直流电动机、异步电动机、同步电动机。同步电动机可划分为：永磁同步电动机，磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。异步电动机可划分为：感应电动机和交流换向器电动机。其中感应电动机又可划分为：三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。

按照用途可划分为：驱动用电动机和控制用电动机。驱动式电动机包括电动工具用电动机，家电用电动机，通用型机械设备用电动机等。控制用电动机可划分为：步进电动机和伺服电动机等。

按照转子的结构可划分为：笼型感应电动机，绕线转子感应电动机。

3、适用于API 541标准的电动机类型

API 541标准适用于：应用于石油，化工及其他工业领域，375kW（500HP）及以上具有特殊用途的鼠笼式感应电动机。同时也适用于感应式发电机。

具有特殊用途通常是指电动机（发电机）具有一条或多条以下特征：

（1）设备需要在严酷环境下不间断，连续运行，且通常无备机。

（2）转速在1800 rpm以下且功率在2250kW（3000hp）以上。

（3）功率在600kW（800hp）及以上的双极设备，且具有全封闭式外壳结构;功率在930kW（1250hp）及以上或极数多余2，且具有敞开式或半封闭式外壳结构。

（4）驱动高惯性负载。

（5）电源侧采用变频调速装置。

（6）是一个感应发电机。

（7）功率在375kW（500hp）及以上的垂直安装设备。

（8）设备工作在异常恶劣的环境下。

4、API 541标准电动机各项电气参数选择

4.1 绝缘等级

绝缘系统是指：导体与支撑结构部件及与之相关的绝缘材料组成的一个整体。绝缘系统的等级根据系统温度的热稳定性而划分为以下几类：通常电动机和发电机使用四类绝缘系统，即A，B，F和H类。例如，F级绝缘系统：当设备在温升标准中规定的F级温度限制下运行时，具有足够的热稳定性。

API 541标准中规定，作为最低要求，绝缘系统应满足NEMA MG1或IEC 60034-1中要求的F级绝缘。且对于绕组电压在6000V及以上的设备，应使用带有局部放电抑制剂的绝缘材料。

4.2 温升等级

电动机的温升是指在额定运行状态下，电动机温度高于环境温度的数值。对于电动机允许的高于环境温度（通常为40℃）的温升，API 541标准中规定：除非另作说明，不应超过B级绝缘的温升要求。当设计环境温度高于40℃时，允许的温升应相应降低，以避免超过B级绝缘的总温度限制（环境温度，上升温度，最热点）。当电动机在最高允许温升下长期工作时，绝缘材料的物理、机械、化学和电气性能不发生显著的恶性变化，如果超过此温度，电动机的绝缘材料将发生质变，加速老化，大大影响电动机的正常使用寿命。

4.3 服务系数

电动机服务系数是衡量电动机连续负载工作能力的一个系数。服务系数可与电动机的额定功率相乘，以表示可以驱动的最大负载。服务系数的取值通常为：1.0/1.15/1.25/1.35等。如一台额定功率为100kW的电动机，服务系数为1.15，则表示电动机可在115kW下短时运行。值得注意的是，在NEMA MG1中，当电动机服务系数不同，对电动机温升的限制数值也不相同。

在API 541标准中指出：当电动机运行在大于其额定功率的条件下（即服务系数高于1）时，会缩短设备的使用寿命。所有工作在B级温升的电动机通过具有F级绝缘性能以获得在高于其额定功率条件下稳定运行的能力（高于额定功率时电动机运行温度更高）。这种较高的运行温度，将会对设备的绝缘及其他部件的寿命产生不利的影响。因此，规范中规定，适用于API 541标准的电动机，只根据服务系数为1.0时选择电动机的额定功率。

5、API 541标准电动机各项机械参数选择

5.1 外壳形式

在API 541标准中，对电动机外壳的通用要求包括：

（1）外壳部件应由铸铁、球墨铸铁、铸钢或钢板构成。如买方同意，纤维增强材料可用于电动机的零部件（盖子或非支撑部分）。所有外壳部件的最小刚度与标称厚度为3.0mm（1/8 in）的钢板相同。

（2）導流板应由耐腐蚀材料制成，或应具有耐腐蚀电镀处理。

（3）当电动机需要启动前吹扫时，设备应具备可进行有效吹扫的条件。供货商应在数据单中明确允许的最大吹扫压力。

（4）除非另作说明，电压等级为6kV级以上的设备应具有全封闭风扇冷却（TEFC），空气-空气冷却（TEAAC）或水-空气冷却（TEWAC）外壳。

适用于NEMA标准的电动机与适用于IEC标准的电动机，对于外壳形式的表述方法并不相同，但具有对应形式，具体参见图1。

在图1中可以看出，对于采用自然风冷型外壳的电动机，NEMA标准中表示为TEFC，IEC标准中表示为IC411;但电动机外壳的防护等级，NEMA标准与IEC标准均采用IP等级来表示。

5.2 轴承形式

电动机中常用的轴承形式为滚动轴承与滑动轴承。滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。当内外圈之间相对旋转时，滚动粒沿着滚道滚动。滑动轴承主要分为轴瓦和轴颈，利用润滑膜将滑动表面分开而不发生直接接触。图二与图三分别表示了滚动轴承与滑动轴承的结构。

滚動轴承的主要特点为摩擦阻力小，起动快，效率高，在中速下承载能力较高。但滚动轴承的径向尺寸较大、减震能力较差、高速时寿命低、噪声较大且结构复杂，在保养和维修时较困难。滑动轴承则具有工作平稳、寿命长、噪声低、结构简单、承载能力大，适用于重载场合等优点，且油膜具有一定的吸震能力。但滑动轴承起动摩擦阻力较大，润滑剂的维护要求较高。

在API 541标准中规定，如无特殊说明，水平安装的电动机应采用液体动压径向轴承（如滑动轴承或倾斜轴瓦轴承），且轴承座应配有迷宫式轴承密封。当满足特定条件时，也可使用滚动轴承。当满足特定条件时，垂直安装的电动机应使用滚动轴承。

5.3 润滑形式

电动机根据结构的不同，通常采用润滑油或润滑脂进行润滑。良好的电动机轴承润滑是减小轴承磨损和摩擦，延长轴承的疲劳寿命的有效措施。采用润滑脂时，可以防止外部的灰尘等异物进入轴承，起到封闭的作用，同时还有防止金属腐蚀的作用。选用润滑脂时要注意每种润滑脂的特性，滴点，锥入度，氧化安定性和低温性能，根据应用环境合理选择。采用润滑油时，特别是采用油雾润滑和喷油润滑时，润滑油能带走轴承内部的大部分摩擦产生的热量，起到有效的散热作用。

在API 541标准中规定：液体动压轴承应采用碳氢化合物油，并根据供货商的建议采用油环润滑。油环下部需浸没在润滑油中，从油环的下缘上方起，最小的浸没深度为6mm（0.25 in）。如果轴承的圆周速度超过了使用油环润滑的极限，则应使用压力（强制）润滑。当被驱动设备（如泵）需要强制润滑系统时，电动机的轴承润滑油可从同一润滑系统中取得。

6、API 541标准电动机各项附件选择

6.1 接线盒

根据电动机的配置及设计的不同，可能会有多个接线盒在电动机本体上引出。包括主接线盒，加热器接线盒，测温RTD接线盒，震动检测接线盒，CT接线盒等等。在API 541标准中规定：主接线盒应由最小厚度为3mm（0.125 in）的钢板制成，且最小尺寸和可利用的体积不得小于 NEMA MG1中第20部分规定的II型端子外壳规定的数值。铜母线和隔离绝缘子的尺寸应能保证当电动机电流为额定值125%时的温升不超过90℃（194 ℉）。主接线端子引出的接线盒应能承受指定MVA（故障开始后半个周期内），持续时间为0.1s内三相故障所产生的压力。对于额定电压在601V以上的电动机，其他附件的引出端子接线盒应与主接线盒分开设置。对于电流互感器和电压互感器的二次引线，如果与主电源线采取了适当的物理分割措施，允许与主电源端子由同一接线盒引出。

当主接线盒中配置避雷器时，在避雷器与定子铁心之间应设置低阻抗接地路径。当主接线盒中配置差动电流互感器时，互感器二次侧引线应远离高压电动机主引线，采取物理隔离，以防止意外接触。若电动机配置了轴承温度检测及轴承振动检测元件时，应提供单独的接线盒。

6.2 温度检测元件

电动机内的测温元件主要是安装在定子绕组上的测温元件、安装在轴承上的测温元件。

API 541标准中要求，定子绕组需配置电阻温度检测元件（RTD）。RTD应为铂材质，三线制，在0℃时电阻为100Ω，符合EN 60751，B类。这些元件应具有聚四氟乙烯绝缘，绞合，铜镀锡，且横截面不小于0.4mm2（22AWG）的引线。引线应满足NFPA 70或IEC 60079中的要求。定子绕组每项应至少装设三只测温元件，适当的分布在定子绕组槽周围。为防止被损坏，所有测温元件的引线在制造和运输过程中应加以保护。供货商的图纸上要显示定子绕组上测温元件的数量、位置及端子排连接等信息。

对于具有液体动压径向轴承和推力轴承的电动机，应配置轴承测温元件，每轴至少一只。测温元件应能测量轴承金属的温度，轴承测温元件的安装应保证不影响轴承绝缘的完整性。除另作说明外，轴承上安装的RTD与定子绕组上安装的RTD规格要求相同。需要注意的是，在API 670（震动、轴向位置和轴承温度检测系统）中，对于大部分电动机轴承，每轴需要配置两只测温元件。当每轴需要配置两只测温元件时，优先考虑配置两只单独的检测元件传感器，如果轴承上空间受到限制，也可考虑使用一只双元件传感器来代替两只单元件传感器。

6.3 加热器

电动机加热有防止电动机受潮的作用，如果电动机长时间放置不用，在使用前要先通电加热去除潮气，以免在通电时损坏电动机。API 541标准中规定：当用户有要求时，电动机应配备具有完整接线的加热器，并引出至单独的接线盒。加热器严禁有外露的元件。加热器应安装在外壳内易拆卸和更换的位置，且应保证所有带电部分不易触碰。除非另有规定，加热器元件的表面温度不得超过160℃（320℉），加热器元件温度标识应为T3或者更低。不可采用任何与定子绕组表面有接触的类型的加热器。加热器应保持电动机绕组的温度高于环境温度5℃（9℉）。