閥門專用電動機結構特點分析

邢云，朱磊，葛生吉吉

(1.中海油天津化工設計研究院，天津 300131;2.天津斯坦雷電氣有限公司，天津 300457)

1 引言

閥門電動裝置是電動閥門的組成部分，其主要功能是實現閥門終端位置的精確控制和故障保護，實現閥門當前位置與載荷狀態的信號反饋，并完成與相關設備的程序控制。閥門電動裝置是工業管道系統的控制單元，廣泛地應用于石油、化工、天然氣、冶金、市政、電力等工業領域。

閥門專用電動機(以下簡稱:閥門電機)是閥門電動裝置(以下簡稱:電動裝置)的重要配套部件。我國目前執行的閥門電機標準有兩個，一個是普通型JB/T2195－1998 YDF2系列閥門電動裝置用三相異步電動機技術條件，另一個是防爆型JB/T8670－1997 YBDF2系列閥門電動裝置用隔爆型三相異步電動機技術條件。從標準頒布的年份上可見，具有防爆性能的YBDF2系列閥門電機仍在執行國家強制性標準GB3836.1－2010和 GB3836.2－2010版本。

閥門電機是電動裝置的動力輸入部件，其性能是影響電動裝置轉矩輸出技術參數的主要因素，其結構需滿足電動裝置的要求。本文將簡要介紹閥門電機的基本性能，著重對典型閥門電機的結構特點進行對比分析，指出其與電動裝置結構的相互關系及適用性。

文中內容對閥門電機的結構設計、產品防爆結構審查以及對閥門電動裝置的設計均有一定參考作用。

2 閥門電機的基本特性

電動裝置的工作特點決定了閥門電機的基本性能，與普通三相異步電動機不同，閥門電機具有以下特性。

(A)啟動轉矩大;以保證閥門在靜止帶壓狀態下的開啟和關閉時閥瓣的入座密封。根據標準規定，閥門電機的啟動轉矩與額定轉矩之比有3.2和5.0兩種，前者基本延續了我國自上世紀70年代自行設計的YDF電動機動力參數，后者的設計則參照了上世紀80年代初引進國外的Limitorque電動裝置用電動機參數;

(B)啟動電流大;由于具有較大的啟動轉矩，所以相應的啟動電流大。以上兩種閥門電機的啟動電流均為額定電流的7倍，因而對電氣控制元器件的選用應給予充分注意;

(C)短時工作制;根據閥門有限行程的工作特點，閥門電機為短時工作制。載荷狀態的不同使得閥門電機的額定工作時間也不同，通常一次工作行程時間在15～30min范圍。閥門電機在設計上不考慮冷卻結構;

(D)轉動慣量小;設計中盡量使轉子直徑趨于細長，以減小轉動慣量，進而減輕閥門入座時閥瓣對閥座的沖擊。

以上性能是閥門電機電磁設計與轉子、定子結構設計中應考慮的問題，而電動機的整體結構設計與閥門電動裝置的結構有關，所以還需考慮以下問題;

(E)防爆性能;閥門電機的結構設計應考慮防爆功能或便于派生防爆功能，以適應防爆型閥門電動裝置的需要，因為有些電動閥門要求工作在爆炸性氣體環境中。

為適應電動裝置的防爆結構特點，目前所用防爆閥門電機均不設獨立的對外接線裝置，所以它不能單獨用于防爆場所。只有與防爆型電動裝置組合后防爆閥門電機才具有防爆功能，其防爆試驗、審查也應與防爆電動裝置組裝后一同進行。電動機的外殼與防爆電動裝置的控制腔形成一個防爆主腔。

防爆閥門電機的防爆等級多為Ex d IIB T4 Gb，較少有Ex d IIC T4 Gb或Ex d IIC T6 Gb，尤其是大功率電動機更不容易實現IIC級防爆;

(F)防護性能;一般應適應IP65以上的閥門電動裝置使用工況。目前大多數閥門電動裝置的標準戶外等級為IP67，有些規格能提供IP68。但是閥門電機的防護等級尚不能與之完全適應，這是需要逐漸解決的問題;

(G)法蘭連接結構;是指閥門電機與電動裝置的連接結構，它包括閥門電機的電源線引出結構和法蘭結構型式。

下面將重點討論E、F、G各項內容。

3 有前端蓋法蘭結構型式

一般情況下，國內自行設計的閥門電動裝置均采用標準規定的連接尺寸，即前面提到的JB/T2195－1998和JB/T8670－1997給出的標準法蘭連接型式。引進國外技術電動裝置所用的閥門電機連接型式與我國標準有所區別，通常是由電動裝置制造廠家給出的結構尺寸。

3.1 前端蓋軸向不固定型式

圖1為一種前端蓋軸向不固定法蘭結構型式。

圖1

由圖1可見，機殼(3)只是通過與前端蓋(4)防爆結合面的配合來約束前端蓋(4)的徑向位置，而前端蓋(4)的軸向并沒有固定(實際結構中有一頂絲保證運輸時不松動)。機殼(3)的后部不貫通，后軸承孔直接在機殼(3)上加工。圖中(E)所指均為隔爆面。

該結構的特點是;可方便地調整出線套(5)在法蘭止口D平面上的位置。從圖1A向視圖可見，通過轉動前端蓋(4)即可改變出線套(5)由實線位置到虛線位置，這樣就能適用不同進線位置電動裝置使用。當閥門電機與電動裝置連接后，前端蓋(4)的軸向位置被壓緊固定，O形圈(9)保證閥門電機與電動裝置的對外密封，O形圈(10)保證出線套(5)與閥門電機和電動裝置控制腔的密封。由于沒有后端蓋，所以防爆結構相對簡單，并且戶外防護性能較好。

圖1結構適合0.06～0.75kW范圍小功率閥門電機，原因基于以下方面;由于法蘭定位止口D和連接孔距D1的直徑為標準尺寸，所以定子鐵芯(2)的直徑受到限制，即定子鐵芯直徑要小于D1一定尺寸才能采用這種結構。另外，隨著電動機功率的增大其外殼(3)的長度L也會相應加長，這使后軸承孔的加工工藝性較差。因此，圖1結構適合300N.m以下輸出轉矩多回轉電動裝置和4000N.m以下輸出轉矩獨立式部分回轉電動裝置使用。

3.2 前端蓋軸向固定且具有后端蓋型式

這種結構有兩種型式，可將其分為A和B。其中A結構的出線套(5)位于法蘭定位止口D的平面上，B結構的出線套(5)位于法蘭止口D以外的平面上。

先看A結構型式:

圖2是標準YDF結構型式。

圖2

由圖2可見，機殼(3)的兩端裝有前端蓋(4)和后端蓋(6)，兩者都與機殼(3)固定一體，后軸承孔位于后端蓋(6)上。圖中(E)所指為隔爆面。

該結構是典型的YDF標準閥門電機結構型式，其主要特點是;機殼(3)貫通，定子鐵芯(2)及其線圈的裝配、維修比較方便。軸向尺寸長度L對機加工影響不大，各零件有良好的工藝性，整機裝配、維修也方便。O形圈(9)和(10)的作用與圖1相同。由于機殼(3)和前后端蓋(4)、(6)構成了兩個密封結構和隔爆面，所以其隔爆結構與密封結構較圖1復雜。

圖2結構適合0.25～2.2kW范圍中小功率閥門電機，因為法蘭止口D和連接孔距D1為標準尺寸，定子鐵芯直徑較大時前端蓋(4)的結構不適合。圖2結構適合輸出轉矩范圍在100－900N.m的多回轉電動裝置和輸出轉矩范圍在400－10000N.m的獨立式部分回轉電動裝置使用。

當圖2結構的功率大于2.2kW時，一般要采用下面將要討論的雙法蘭前端蓋結構。

再看B結構型式:

圖3所示為引進技術中Limitorque閥門電機的結構型式之一。Limitorque是知名電動裝置品牌，我國閥門電機標準制定中的一些技術參數參照了這種電動機。

圖3

圖3與圖2結構的區別在于;前端蓋(4)為雙法蘭結構，即一側與機殼(3)連接，另一側與電動裝置連接。目的是兩個，一是方便在定位止口D以外的法蘭端面上設置出線套(5)，出線套與法蘭的結合采用了螺紋隔爆結構。二是解決定子鐵芯的直徑接近或大于D1時與電動裝置的連接問題。

圖3結構的優點是;出線套(5)不在定位止口內，所以方便電動裝置傳動機構和手/電動切換機構的設計布置。另外，出線套離開浸油腔其密封只需考慮戶外防護作用。

由于前端蓋(4)為雙法蘭結構，所以L尺寸也相對長，同時轉子軸的尺寸也較長，會增加一些加工難度。

圖3結構適合0.55～13kW功率范圍的閥門電機，主要用于輸出轉矩范圍200～10000N.m的多回轉電動裝置。

圖2和圖3均是目前最常用的閥門電機結構型式，屬于成熟技術，但應用中發現的問題也值得注意。圖2、圖3轉子軸(1)的前軸承設計靠近轉子，油封靠近定位止口端面，這樣就形成電機軸頭到前軸承(7)的懸臂結構。轉子軸和前端蓋(4)形成的隔爆面結構屬于GB3836.2標準中“旋轉電機轉軸軸承蓋結合面”。4.0kW以上閥門電機曾發生由于齒輪(11)工作中的徑向力過大致使前端蓋(4)與轉子軸摩擦“抱死”的現象。

在結構設計上，同等軸頭轉矩情況下閥門電機的軸頭直徑均小于普通電機。為避免上述現象，建議前軸承的設計采用圖1結構，這樣可相對減小電動機軸頭的懸臂長度進而減小其工作中可能產生的彈性變形。同時也保證了電動機工作狀態下實際隔爆結合面符合標準要求。

4 無前端蓋法蘭結構

有的電動裝置在設計中已考慮了閥門電機定子鐵芯的安裝位置，即內裝式或無前端蓋法蘭型式，這種結構在國外電動裝置產品中經常見到。下面將提供兩種典型結構且將其分為A和B。

先看A結構型式:

圖4

圖4中心線以下部分所示也是引進Limitorque技術小轉矩電動裝置的電動機安裝結構。

由該圖中心線以下部分可見，定子鐵芯(2)直接裝入主箱體與之配合的孔中并用護板(12)和螺釘(13)緊固。轉子軸(1)前部通過軸承座(4)和軸承(7)支撐。所以采用軸承座(4)是保證裝有齒輪(11)時能通過主箱體上的孔并能形成要求的隔爆結合面。轉子軸(1)的后軸承裝在后端蓋(6)上，緊固后端蓋(6)使之與主箱體形成電動機的整體結構。圖4下半部分所示的隔爆面及隔爆部位(E)共有四處。定子內腔與主箱體有通孔，接通防爆電動裝置的隔爆主腔。

采用內裝式電動機的電動裝置具有外形緊湊、戶外與防爆結構相對簡單、成本較低等優點。但由于尺寸不宜過大等方面的局限，它僅適合小轉矩電動裝置，如輸出轉矩300N.m以下的多回轉型和輸出轉矩2000N.m以下的獨立式部分回轉型電動裝置使用。

圖4下半部分的結構也存在一定問題 ，如;加工尺寸和位置度問題容易使轉子掃膛，裝配問題會使定子鐵芯松動，閥門電機的性能單獨檢測較為麻煩，并且組裝前的運輸中要避免磕碰。

為解決上述問題，可對該結構進行部分改進，參見圖4中心線上半部分結構。其方法是;將原后端蓋(6)加長成為機殼(3)，采用壓合過盈配合使定子鐵芯(2)與機殼(3)固定，保留前部的軸承座結構。

通過改進，可以很好地解決前面提到的問題，并且使電動裝置主箱體尺寸相對縮小。去掉了固定定子鐵芯的螺釘(13)使隔爆結構簡化、可靠。

再看B結構型式:

圖5所示為Rotork A系列多回轉電動裝置的結構，它是一種知名電動裝置品牌。雖然Rotork公司的智能型電動裝置已不再采用該結構，但因為與其它產品完全不同的特點而且仍有應用，所以對其進行簡單介紹。

圖5

由圖5可見，電動機的轉子軸(1)與電動裝置傳動蝸桿設計成一體，在主箱體內的支撐點是(7)和(17)滾針軸承，在后端蓋(6)上的支撐點是球軸承(16)，這種結構在國內被稱為“同軸直聯”式。閥門電機的電源線可以方便地引入電動裝置的控制腔。電動裝置工作時蝸輪的輸出轉矩會使蝸桿產生軸向力并壓縮用于轉矩控制的碟形彈簧(15)，所以轉子在電動裝置轉矩開關動作時會有一定量的雙向軸向位移，這一特點在其它電動裝置上是沒有的。

就電動裝置整體結構而言，圖5是很有創意的設計。它簡化了整機傳動結構，蝶型彈簧(15)的預緊和調整方便，產品整體外形協調等。Rotork后期產品依然保持了這種風格。其局限是;電機與蝸桿軸過長，與轉子的組合精度難于控制，并且蝸桿軸受力屬于超靜定結構。當閥門開啟操作時，機殼(3)、后端蓋(6)、軸承壓蓋(14)的緊固螺釘均要承受蝸桿的軸向力，因而該結構電動裝置的輸出轉矩規格也不宜過大。

就防爆結構而言，無前端蓋法蘭結構省去了出線套結構，但圖5中的零件(6)和(14)又使隔爆結構稍復雜。

5 結語

通過以上幾種典型閥門電機結構的分析比較可以歸納出以下幾點:

(1)閥門電機的結構設計受到電動裝置整體結構的制約，如傳動、手/電動切換結構等，尤其是電動機的連接法蘭與進線結構設計;

(2)閥門電機的結構設計要兼顧防爆性能和防護性能，因為絕大多數閥門電機只有與防爆電動裝置組合后才具有防爆功能，這時防爆電動裝置的控制腔與防爆閥門電機的外殼構成一個防爆主腔;

(3)目前我國閥門電機的防爆等級多為Ex d IIB T4 Gb，而很多工況條件要求電動裝置的防爆等級為Ex d IIC T4 Gb或Ex d IIC T6 Gb，所以閥門電機的防爆性能是制約電動裝置防爆等級的因素之一;

(4)結構型式不同的閥門電機適應不同的電動裝置輸出轉矩規格，有些只適合小轉矩規格，所以其功率范圍較小;

(5)有前端蓋結構的閥門電機便于單機檢測和儲運，無前端蓋結構的閥門電機儲運中應采取措施保護定子線圈和隔爆面等部位并應提供單機檢測(指與電動裝置未組裝之前)的方法、措施;

(6)閥門電機功率分檔的范圍較大但每種規格的用量有限，所以電動裝置設計時擇標準連接尺寸和出線位置的閥門電機可相對降低產品的制造成本;

(7)我國閥門電機標準中規定的戶外等級較電動裝置的標配戶外等級低，在某種程度上影響了電動裝置戶外性能的提高。

綜上所述，閥門電機的結構設計與電動裝置的整機結構相互制約。所以，研究改進閥門電機的結構使之更趨合理對促進電動裝置整機性能的提高具有積極作用。

［1］ GB3836.1－2000，爆炸性氣體環境用電氣設備第1部分:通用要求.［2］ GB3836.2－2000，爆炸性氣體環境用電氣設備第2部分:隔爆型“d”.

［3］ JB/T2195－1998，YDF2系列閥門電動裝置用三相異步電動機技術條件.

［4］ JB/T8670－1997，YBDF2系列閥門電動裝置用隔爆型三相異步電動機技術條件.