YE3系列(IP23)三相異步電動機的開發*

金 晶, 李光耀, 湯惠明

(上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司, 上海 200063)

YE3系列(IP23)三相異步電動機的開發*

金 晶, 李光耀, 湯惠明

(上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司, 上海 200063)

介紹了YE3系列(IP23)三相異步電動機的技術參數、型譜和產品的研制情況，重點分析了降低電動機溫升所采用的新型通風結構。該產品在工業領域有著廣泛的應用前景。

電動機； 節能； 效率； 開發

0 引 言

在工業領域，電動機節能已成為工業節能的關鍵，目前國家已將電動機能效提升作為工業節能的重點工作來抓。隨著節能減排和環境保護的雙重壓力，高效電動機研發和推廣已成為保障社會、經濟可持續發展的重要手段，是我國《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》的重點關注點之一。

在我國，目前符合IEC-IE3效率標準的電動機產品僅有YE3系列(IP55)超高效三相異步電動機[簡稱YE3系列(IP55)電動機]。由于該系列產品制造成本較高，在實行推廣中會大大增加企業的生產制造壓力。通過市場調研了解到，一部分電動機在實際運行中，其運行工況比較清潔，無特殊粉塵、異常氣體及其他有害物質，完全可以采用防護等級為IP23的防護結構。在額定功率和效率相同的情況下，該結構擁有更好的散熱性，能有效地控制電動機的溫升，減少制造成本。在美國，NEMA電動機就有ODP(開啟式)結構和TEFC(封閉式)結構。國外對于高效電動機的設計思想就是物盡其用，會根據不同的運行工況來選取適合的電動機結構，從而合理控制電動機的制造成本。因此，針對生產、制造IE3以上效率的電動機，設計開發IP23防護結構的系列產品，是一種切實有效的降本途徑。

2014年3月，最新版IEC 60034-30-1—2014“電網供電的交流電動機能效分級(IE代碼)”正式頒布，該標準覆蓋了各種結構類型的電動機，其中就包含了IP23防護結構的電動機能效分級。IEC標準的頒布給YE3系列(IP23)三相異步電動機的設計開發提供了有效的依據。

1 技術參數

YE3系列(IP23)三相異步電動機基本參數如下： 機座號為H160～H355；功率等級為4～355kW；極數為2～8極；防護等級為IP23；電壓和頻率為380V/50Hz；安裝方式為IMB3；傳動方式為聯軸器連接傳動。

2 型 譜

繼Y系列之后聯合設計開發的Y2、Y3、YX3、YE2系列產品都沒有進行相應IP23防護結構的系列產品設計。YE3系列(IP23)產品也不是為了替代Y系列(IP23)產品開發的，是為了探索制造高效率電動機的成本控制而“獨辟蹊徑”。YE3系列(IP23)三相異步電動機的機座號與轉速及功率的對應關系與YE3系列(IP55)三相異步電動機基本一致，如表1所示。

表1 機座號與轉速及功率的對應關系

3 效率指標

YE3系列(IP23)超高效三相異步電動機的效率值達到IEC 60034-30-1—2014旋轉電機 第30-1部分： 電網供電的交流電動機能效分級(IE代碼)規定的IE3效率標準，其效率保證值，如表2所示。

表2 電動機的效率 %

4 三圓尺寸和槽配合

為了提高產品的通用化，減少企業的制造成本，YE3系列(IP23)三相異步電動機的三圓尺寸與國內高效率三相異步電動機的參數基本保持一致，如表3所示。

表3 YE3系列(IP23)三相異步電動機的定子沖片

電動機的槽配合不僅與電動機的電磁噪聲有很大關系，對電動機雜散損耗的影響也很大。實踐證明基本上是定轉子槽數增多，且轉子槽數少于定子槽數的電動機的雜散損耗試驗值要小，選用合適的槽配合和斜槽，對降低電磁噪聲和雜散損耗同樣重要，如表4所示。

表4 YE3系列(IP23)三相異步電動機的槽配合

5 系列產品的結構設計

5.1 整體結構的設計

YE3系列(IP23)電動機采用徑向通風的整體結構設計[1]，如圖1所示。

圖1 電機的整體結構示意圖

電機的整體通風方式是由電機旋轉后轉子兩端的風葉產生風壓，冷卻空氣經由前、后端蓋底部進風口進風，通過端蓋內側的擋風板進行引流、導風，空氣流經繞組后進入機座的軸向通風道并由機座中間的出風口出風，如圖2所示。

圖2 電機的通風方式示意圖

設計時，采用了Solidworks三維建模輔助設計和ANSOFT分析軟件,對通風情況進行模擬，提高通風結構設計的合理性。該通風結構保證了進風不被遮擋，空氣能平順地流進電機進行熱交換，倘若改變電機的安裝結構也能保證電機整體進風的平衡。

5.2 主要部件結構設計

(1) 機座設計。在滿足電機安裝尺寸要求的前提下，為滿足YE3系列(IP23)電動機通風結構的要求，經充分考慮后決定盡可能將機座上的出風口設計到最大。同時，分析了Y系列(IP23)的機座結構，發現功率較小的電動機其機座出風面積要比相應端蓋的進風面積都大，去相關企業調研時也發現，由于鑄件工藝等問題，對于內徑較小的機座，在運行測試時感覺機座上半部出風口的實際出風集中在出風窗口偏下的位置，且出風量也不大?？紤]到上述情況，在設計時，對小功率機座只采用兩側下部出風的結構，簡化了機座上半部的設計；但隨著功率的增大，為保證出風量，依舊沿用機座兩側上、下部均有出風口的結構；在機座設計時還綜合考慮了剛度、鑄件變形以及滿足防護要求等多重因素。

H160～250中心高的機座整體呈圓形，其出風口分別位于左右兩側的下半部；H280～355中心高的機座整體呈方形，其左右兩側的上、下部均有出風口；該結構的機座需要在出風口處配上網罩以滿足防護等級。機座與有繞組定子鐵心通過機座內的軸向筋配合固定，設計時要保證筋與機座內壁有一定的高度(宜為20～30mm)才能使機座內通風順暢；機座長度的設計基于該系列中最大功率(不包含擴大功率)情況下的有繞組鐵心長度，同時也必須滿足底腳安裝尺寸(C和B尺寸)以及底腳螺栓扳手空間的需要。

為了提高模具的使用率，考慮電機的出線窗口能左、右互換，機座的出風窗口保持中心對稱結構設計，但底腳安裝尺寸(B和C尺寸)并不是中心對稱設計，因此要在機加工之前確保出線方向的位置。

(2) 端蓋設計。為保證新設計的通風結構，電動機端蓋設計相較于以前的Y系列(IP23)有非常大的區別。以前的端面進風，端蓋厚度可以做得很薄，現在是端蓋底下進風，為了滿足進風量的要求要保證端蓋有一定的厚度；另外，由于軸承外蓋上無需再采用骨架式油封結構，只需具備一定的擋油功能，因此將簡化后的軸承外蓋與端蓋做成了一體式的結構設計。這樣的端蓋設計集成通風、加油、卸油等功能為一體，節省軸向距離，更利于空間尺寸的排布，且減少安裝操作步驟，但是對于軸向需要安裝波形彈簧片、擋圈、甩油盤等零件時，要注意先后安裝順序，會增加電機裝配的難度。由于進風窗口較大，為滿足防護要求按需配上防護網罩。

根據兩種機座結構，設計的端蓋結構也會略有不同。中心高H160～250的端蓋與機座配合是利用了機座45°方向上的四根橫向筋，水平和垂直四個位置上安裝擋風板，垂直位置作為加油、卸油位置；中心高H280～355的端蓋安裝通過6個螺栓與機座配合，在端蓋內有6個突出的小搭子來安裝、固定擋風板，電機的加油與卸油也在垂直位置上。

(3) 定子和有繞組鐵心的設計。設計時考慮到出線端與非出線端的繞組端部離開機座的軸向尺寸保持一致，因此除了中心高225以下2極電機各規格有繞組鐵心在機座中心對稱位置以外，其余規格的有繞組鐵心均偏離機座中心有一定的距離，具體距離視繞組出線端長度而定。

(4) 改變定子繞組端部長度的設計。在節材的原則下，為了提高空間利用率，在保證平均半匝長不變的情況下，針對2極、4極電動機改變傳統的梭形線圈，部分采用梯形線圈，梯形線圈示意圖，如圖3所示。

圖3 梯形線圈示意圖

采用梯形線圈能使繞組端部的伸出長度縮短5～40mm不等，能很大程度縮短機座的長度，對提升電動機空間的排布合理性有很大作用。

系列產品中心高H180以上所有的2極繞組均采用梯形線圈，中心高H280以上所有2、4極繞組均采用梯形線圈。目前該線圈在實際運用中的反響較好，并有相關工藝文件來指導規范操作和生產。YE3系列(IP23)超高效電動機的定子繞組端部長度，如表5所示。

表5 全系列定子繞組端部長度 mm

5.3 產品主要傳動件的校核以及軸承的選用

(1) 軸的剛度計算。轉軸是電機的重要零件之一，既要支撐各種轉動零部件的重量又要傳遞轉矩、輸出機械功率，因而轉軸的剛度計算就尤為重要。

軸的設計包括軸的結構設計和軸的計算。軸的計算包括軸的強度計算、軸的剛度計算、軸的臨界轉速計算。本次僅對軸的剛度和軸的臨界轉速進行計算。

軸在載荷的作用下會產生彎曲和扭轉變形，當這些變形超過某個允許值時，會使機器的零部件工作狀況惡化，甚至使機器無法正常工作，故對精密機器的傳動和對剛度要求高的軸，要進行剛度校核，以保證軸的正常工作。軸的剛度分為扭轉剛度和彎曲剛度兩種，前者以扭轉角θ來度量，后者以撓度y來度量。

通過對全系列電機轉軸的扭轉剛度進行核算，計算結果顯示全系列軸的扭轉角θ均小于許用扭轉角θP=0.25°～0.5°，所有軸伸均滿足扭轉剛度要求。

比較全系列軸承檔長度后發現，中心高H160～H280以上的YE3系列(IP23)的軸承檔均大于YE2系列(IP55)的軸承檔，其中以H160、H225、H280這三個中心高相差的最大，因此選取這三個中心高最大功率的產品來進行軸的撓度以及臨界轉速的校核，并且對H315、H355的大功率產品也一并進行彎曲剛度的校核。撓度y與電機的氣隙值δ的比值是判斷轉軸撓度是否在允許的范圍之內的指標；按照經驗，一般轉子的撓度占單邊氣隙的百分數在10%以下。計算結果顯示18個規格中，撓度y與電機的氣隙值δ的比值在 5%～ 6%之間的有3個規格，在3%～5%之間的有4個規格，其余11個規格均在3%以下。

(2) 軸承的選用。軸承是電機重要的傳動部件之一。選用軸承一般根據負載的傳動方式、機型、工作條件、可靠性要求及軸承的轉速n等因素。

根據高效電動機的設計經驗，結合YE3系列(IP23)電動機通風結構以及端蓋結構設計的特性，全系列采用C3游隙，除中心高H160-2以外，前軸承均采用寬度系列3系列；對于2極電機，盡量保持軸伸端與非軸伸端的軸承選型一致，部分小功率的2極電機擋風板內徑要比軸承內蓋的外徑還小，會致使裝配發生困難，因此將受力情況良好的后軸承改用寬度系列為2的輕載系列軸承；另外，中心高H315、H355的4極及以上采用圓柱滾子軸承；各中心高的軸承規格與YE2系列(IP55)的軸承規格比較，如表6所示。

表6 各中心高軸承規格與YE2系列(IP55)的比較

6 樣機試制情況

項目組結合IP23電動機的訂貨情況，靈活制訂了樣機的試制規格，完成了8個規格13臺樣機的試制。樣機的極數為4P～8P，功率等級為 11～160kW，機座號為H160～H315，樣機試制性能數據匯總，如表7所示。通過樣機試制，驗證了設計的合理性，達到了預期目標。

表7 樣機試制性能數據匯總

續表

7 結 語

YE3系列(IP23)三相異步電動機的開發，旨在通過改變電動機的防護結構，提高電動機的自身散熱性能，在達到IE3標準效率要求的基礎上，減少有效材料的用量，緩解產品制造成本的增加，提升超高效率電動機的市場競爭力和占有率，逐步縮小與歐美市場電動機占有率的差距。該系列產品的推廣對高效、超高效產品的節能、節材起到很大的促進作用，在工業領域有著廣泛的市場應用前景。

[1] 陳世坤.電機設計[M].北京： 機械工業出版社，2000.

Development of YE3 Series (IP23) Three-Phase Asynchronous Motors*

JINJing,LIGuangyao,TANGHuiming

(Shanghai Engineering Research Center of Motor System Energy Saving Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

Technology parameters, power spectrum and product development situation of YE3 Series(IP23) three-phase asynchronous motors were introduced. The new ventilation structure which was taken to reduce the temperature rise of the motors was analyzed emphatically.The product has a broad market prospect in the industrial field.

motor； energy saving； efficiency； development

《上海電機系統節能工程技術研究中心能力提升》(14DZ2280800)

金 晶(1983—)，女，工程師，研究方向為高效節能三相異步電動機系列產品的開發。 湯惠明(1967—)，女，工程師，研究方向為中小型電機研發。

TM 301

A

1673-6540(2017)02- 0078- 00

2016-11-15