符合尼瑪標準的防爆超高效三相異步電動機研制

王 勃， 王少景

(1.東華大學，上海 201600;2.上海睿達電氣有限公司，上海 200333)

0 引言

防爆電動機是適應在石油、化工、煤炭等行業運行的電動機。由于這些行業的工藝流程的連續性，使用防爆超高效電動機是最符合節能減排、綠色環保的運行方式。因此美國、加拿大等國的電機公司在推出一般用途超高效三相異步電動機的同時，積極研發防爆超高效三相異步電動機，以爭取這塊最大的特種電機市場。

本文介紹的防爆超高效三相異步電動機，符合美國、加拿大等國市場使用的防爆超高效三相異步電動機(以下簡稱電動機)的要求。

1 電動機的主要參數與要求

1.1 電動機的使用場所及性能要求

符合尼瑪標準的防爆超高效三相異步電動機，使用在1類1區C，D組;2類1區E，F，G組，具有爆炸危險氣體與粉塵環境的場所。溫度組別T3C(≤160℃)。電動機的防爆性能符合:

(1)UL674-1996，使用Ⅰ區危險場所的電動機和發電機;

(2)CSA C22.2 No.145-M1986，使用危險場所的電動機和發電機;

(3)IEEE841-2001 500HP及以下石油化工惡劣環境用全封閉扇冷(TEFC)籠型感應電動機。

1.2 電動機性能

電動機的一般性能符合下列標準:

(1)NEMA MG1-2006，電動機和發電機;

(2)UL1004-2003，電動機;

(3)IEEE112—1996，多相感應電動機和發電機試驗方法。

1.3 電動機的其他要求

A型和 B型設計，防護等級 IP55，60 Hz和50 Hz，F級絕緣，全封閉風扇冷卻方式。使用系數為1.15(60 Hz)或1.0(50 Hz)，電壓為230/460 V(60 Hz)或190/380 V(50 Hz)，功率為1～300 HP，機座號為 143T～449TS，同步轉速為3 600、1 800、1 200 r/min，可以實現 F1、F2 的轉換，結構派生C法蘭、D法蘭。

1.4 電動機型譜

電動機型譜如表1所示。

1.5 60 Hz運行時的效率

60 Hz運行時的效率如表2所示。

1.6 50 Hz運行時的效率

50 Hz運行時的效率如表3所示。

2 UL的分類、分組和分區與防爆審查

由于電動機需要送美國保險商實驗室(UL)或加拿大標準協會(CSA)進行防爆認證，本文對UL作簡要介紹。

表2 電動機的滿載效率(60 Hz)

UL是著名的認證機構，在美國和國際危險場所的認證工作迄今已有近90年歷史。UL關于危險場所的分類、分區和分組如下。

2.1 分類

UL關于爆炸危險場所用的分類有三個:

(1)I類，可燃性氣體、蒸汽和液體;

(2)II類，可燃性粉塵;

(3)III類，可燃性纖維和飛絮飛揚物。

2.2 分組

各種氣體與粉塵分成不同的組，最高的易爆氣體組是A組，之后的組表示引爆能力越來越弱，例如:B組，然后C組，等。以下是與各組有關的部分氣體或可燃性粉塵:

(1)A組，乙炔;

(2)B組，氫氣、丁二烯、乙烯氧化物或丙烯氧化物;

(3)C組，環丙烷、乙烷、乙烯;

表3 電動機的滿載效率(50 Hz)

(4)D組，丙酮、乙醇、氨氣、苯、合成苯、丁烷、汽油、己烷、天然氣、丙烷;

(5)E組，金屬粉塵包括鋁、鎂 以及鋁鎂合金;

(6)F組，炭黑、木炭、煤或煤炭粉塵;

(7)G組，面粉、淀粉、谷類、易燃塑料和化學粉塵。

2.3 分區

UL關于爆炸危險場所用的分區有三種:

(1)0區，在正常運行條件下，可燃性氣體、蒸汽或液體的可燃性濃度可能在所有時間，或長期存在的場所。

(2)1區，在正常運行條件下，可燃性氣體、蒸汽或液體的可燃性濃度以及可燃性粉塵的濃度在所有時間或某些時間可能存在的場所。

(3)2區，在正常運行條件下，可燃性氣體、蒸汽或液體的可燃性濃度以及可燃性粉塵的濃度不可能存在，僅在設備故障情況下存在的場所。

2.4 防爆認證

電動機需送UL或CSA進行防爆認證，防爆審查分為圖紙審查和樣機審查兩部分。取證一般應取在美國和加拿大均使用的證書。

3 結構設計

3.1 電動機主體結構

全系列電動機的機座和端蓋均采用鑄鐵制造，機座上的散熱筋與端蓋上的加強筋采用了垂直、平行分布方式，散熱筋之間使用了非等距分布與非同心圓的組合方式，保證有足夠的強度和良好的散熱能力與鑄造工藝性，還具有優美的外觀型式。

轉子采用了可靠的鑄鋁結構，導條和轉子鐵心之間有很好的熱耦合性。鑄鋁轉子表面經防腐處理，以二次熱套的方式與轉軸裝配后，經高精度動平衡以保證電機振動小、噪聲低。

采用了優化設計的離心風扇，可根據采購商的要求分別設計為防靜電塑料與鑄鋁合金兩種材料。端罩也分別設計為鑄鐵與鋼板兩種，以適應采購商要求電機使用在一般環境與惡劣環境的不同場合。

軸承采用優質滾動軸承，潤滑脂為高質量、溫度范圍寬的防銹潤滑油脂。從H140～210中心高，電動機使用全封閉軸承;從H250～440，電動機采用深溝球軸承，并設計有注排油裝置。

電動機可以安裝防冷凝加熱器，可以安裝熱敏電阻或溫控開關。接線盒設計有專門的進線錐管螺紋口。

3.2 電動機的防爆結構要點

(1)電動機的機座、接線盒、端蓋、軸承內蓋均采用HT250高強度鑄鐵，最小壁厚滿足UL的規定。這些結構件在精加工后均經過1 MPa的水壓試驗，以不變形為合格。

(2)軸貫通采用迷宮式防爆曲路，軸承內蓋與端蓋、端蓋與機座采用圓筒防爆面，接線盒座與接線盒蓋采用平面防爆面。防爆結合面參數均符合UL的規定。

(3)接線盒采用澆封型導管接線盒，澆封材料為經UL或CSA認證許可。

(4)電動機的防塵結構主要分為機座與軸貫通兩部分。機座與端蓋徑向端面間隙盡可能減小;軸貫通部分:H140～210為V型環加外防塵蓋，H250～440為甩油環加防塵蓋，即設計4個及以上90°的折彎曲路，防止粉塵進入軸承室。

(5)螺紋與螺紋連接符合UL的規定。

4 降低損耗的若干措施

經認真分析，采用以下技術措施降低電動機的定子損耗、轉子損耗、鐵耗、機械耗以及雜散損耗以及振動、噪聲。

4.1 降低定子銅耗(PCU1)

定子銅耗PCU1計算公式為

降低定子銅耗的措施有:

(1)縮短繞組端部長度以及伸出鐵心的直線部分長度等;

(2)減薄絕緣，由0.35厚的槽絕緣改為0.25厚，提高了定子槽的利用率;

(3)提高槽滿率，并選用較大的線規。

(4)采用新型的定子繞組，減少銅耗與雜散損耗。

4.2 降低轉子鋁耗(PAL2)

轉子鋁耗PAL2計算公式為PAL2=R2

該設計全系列電動機采用鑄鋁轉子。降低轉子鋁耗的措施有:

(1)采用截面積較大的轉子槽形，增大轉子端環面積;

(2)使用特二級鋁，純度99.6%，澆注前化驗含錳量不大于0.3%;

(3)精煉，使用前應充分精煉除氣除渣后方可使用;

(4)采用離心鑄鋁，增大轉子導條接觸電阻，減小損耗;

(5)采用轉子鐵心的磷化處理措施。

4.3 降低鐵耗(PFe)

鐵心損耗PFe的估算公式為

式中:P1.0/50——鐵心材料在頻率50 Hz，磁密1 T時的單位損耗;

B——鐵心平均磁密;

f——磁通交變頻率;

GFe——鐵心重量;

K——修正系數，考慮鐵心材料經沖片、剪切等加工以及齒部或軛部磁通密度分布不均勻，氣隙磁通非正弦性使損耗增加而進行的經驗修正系數。

為降低鐵心損耗采用以下措施:

(1)采用低損耗的優質冷軋硅鋼片，減少電機的渦流損耗，該設計全系列電機使用0.5 mm厚的DW350硅鋼片;

(2)調整槽形，降低磁負荷，減少基波鐵損耗;

(3)增加鐵心長，用較多的優質硅鋼片，減少磁負荷來降低鐵損耗;

(4)沖片毛刺控制在0.05及以下;

(5)定、轉子沖片的疊壓系數控制在0.98;

(6)定、轉子沖片在沖裁后均采用退火工藝與氧化處理，消除機械應力和應變，恢復與提高硅鋼片材料的磁性能。

4.4 降低機械損耗(PFw)

電動機的機械損耗PFw約占總損耗的5%，為降低機械損耗所采取的措施有:

(1)優化外風扇，在保證溫升與噪聲的條件下盡可能的提高風扇的效率;

(2)優化電機的風路結構，為保證風路順暢，需保證風葉外徑與風罩的間隙不大于10 mm，風罩進風口的外徑小于風扇外徑;

(3)采用優質滾動軸承;

(4)采用優質潤滑脂，降低摩擦損耗。

4.5 降低雜散損耗(Ps)

雜散損耗Ps約占總損耗的10%，是除上述四種損耗以外的全部損耗，降低雜散損耗具體措施有:

(1)采用優化的槽配合。近槽配合雜散損耗小，效率因數及起動性能易于保證，但噪聲偏大，因為需要實測雜散損耗，故選用近槽配合。

(2)采用低諧波準正弦繞組。經過深入研究和反復試驗，設計采用了一種新型的低諧波準正弦繞組，其基本原理如下:

①這種繞組是一種不等匝繞組，即繞組的各個線圈具有不同的匝數，其各個線圈的匝數按線圈在空間的位置盡可能具有正弦分布。

②為了提高材料的利用率，每個槽的槽滿率盡可能相同，在考慮線圈的匝數和節距時必須嚴格遵守這一原則。

③繞組的型式為單雙層同心式繞組或雙層疊繞組。

(3)采用特殊的轉子加工工藝。

通過對轉子加工進行反復試驗，采用特殊刀具，嚴格控制進刀量，實施正反刀等措施達到了既省時又能降低雜散損耗的目的。

當電動機已經制造完成，經過性能試驗發現雜散損耗偏大，因而造成效率指標不合格，可以采取以下措施進一步提高電動機效率:

(1)如果電動機功率因數有裕度，可以采取放大氣隙的方法;

(2)采用特殊的轉子表面酸洗處理工藝。

4.6 采用斜槽

鑄鋁轉子采用了經過大量實踐驗證的斜槽參數，有效抑制了因高次諧波磁場產生的附加轉矩和噪聲。

5 典型規格的設計與試驗數據

由于采取了一系列的技術措施，樣機試制取得了很好的效果，表4是NEMA284-2，25HP的電氣性能試驗參數，其防爆認證的各項試驗正在由相關認證機構加緊進行中。

6 結 語

防爆電動機相對于一般用途封閉式電動機，在效率相同時，其有效材料如漆包線、硅鋼片、鋁導條等的使用量是一樣的，僅增加了結構材料的10%～15%，工時的10%，以及防爆認證費用，而電動機的價格卻增加了30%以上。因此，這對于國內電機企業積極開拓國際市場，提高經濟效益以及企業自身的國際國內競爭力，有非常大的實際意義與效益。

表4 NEMA286TS-2(25 HP，460 V，60 Hz)的設計與試驗數據

［1］陳世坤.電機設計［M］.北京:機械工業出版社，2000.

［2］龔埛.電機制造工藝學［M］.北京:機械工業出版社，1983.