節能電機的分析

(黑龍江佳木斯 154000)

0 引言

本世紀初，電機行業將節能提到與國策合拍的高度，并在“惠民工程”上出臺了優惠政策，使電機廠家競相提高電機的效率，掀起訂購YX3、YE3電機的熱潮。YX3(或YE3)及由此派生的防爆電機，在通風散熱模式、電磁設計、軸承結構與Y2、Y3基本相同。本文以YX3為例所闡述的內容可以代表Y2、Y3及由它們衍生或派生的產品。

目前投放市場的上述系列，在315～500機座號范圍內均以鑄鐵機座為主。因其涵蓋面較大：45～1120kW;2～12極；380～10000V；通風散熱方式，IC151;防護等級，IP44、IP54；在市場中的覆蓋率也較高，因此，一點點地改進都會帶來可觀的效益。

參照近些年來在材料、制造技術上的改進；在設計、使用中積累的經驗以及發現的問題，本文針對YX3系列315～500機座號高、低壓鑄鐵機座三相異步電動機(以下簡稱“電機”)在設計、制造、使用中值得商榷的幾處予以剖析，供業內人士深入研討，以求在提質、挖潛中達成共識，使節能電機在服役中既保證安全運行；又能提升實際的節能效果。

1 使用中的實際節能效果

電機在使用中的實際節能效果體現在其定子輸入電流I1上。即

I1=P/(1.732Uηcosφ)

式中，P—電機的功率；U—電機的電壓；ηcosφ—電機的效率η與功率因數cosφ的乘積(當I1、P、U、η、cosφ的下標標以“N”時，則分別代表各自的額定值)。

當P、U確定后，I1與η、cosφ二者的乘積成反比。即：ηcosφ越大，I1越小，節能效果越明顯。由于“惠民工程”的能效指標僅考核η，使節能電機的ηcosφ值與老系列JO2相比變化不大。經統計JO2、YX3可以直接對比的18個規格(YX3的18個規格為小型，但其電磁負荷選擇規律與中型相近，與JO2的對比，基本上可以代表中型)ηcosφ的平均值。

JO2,ηcosφ=0.8017；

YX3,ηcosφ=0.7822。

誠然，使用現場可以借助無功補償提高cosφ，但現場很少采用這種措施，致使YX3的實際耗電指標未見明顯降低，甚至略高于JO2。

既然使用現場的實際節能效果由電機的輸入電流I1決定，I1的大小又與電機的效率和功率因數的乘積—ηcosφ直接相關，“惠民工程”應該將cosφ也納入能效考核指標之中；或者，直接將ηcosφ作為能效考核指標。這樣，既能讓電機的使用部門直接體察到電機的實際節能效果；又便于電機的生產廠家按照不同的產品在η與cosφ之間留有匹配的余地：比如，若有的產品提高η較難，則可用提高cosφ來彌補(但二者不宜等同，η仍為硬指標)。

2 定子繞組電流密度

定子繞組電流密度J1是一個與耗銅量直接相關的參數：J1低，耗銅量大。仍以JO2、YX3可以直接對比的18個規格相對比，其J1(以小型代中型的規律同上)的平均值

JO2,J1=4.7；

YX3,J1=4.2。

降低J1可以降低定子繞組銅損耗Pcu1,提高η。但η由5項損耗的累計值決定，Pcu1僅是其中之一，其它4項損耗仍有潛力可挖。為提高η降低Pcu1(個別規格還因為電機溫升θ1偏高而降低Pcu1)，要耗用較多的銅線。我國銅礦資源不豐富，上個世紀70～80年代，為節銅，曾經在電機行業實施以鋁代銅。同時，銅由銅礦冶煉成銅錠，再由銅錠加工成銅線，都要消耗電能。所以，從國民經濟全局考慮，應權衡多用銅帶來的提高η節電的效益與銅線生產過程中消耗電能之間的得與失，以免沾上“拆東墻、補西墻”之嫌。

JO2是上個世紀60年代設計，E級絕緣，熱軋硅鋼片；YX3本世紀初設計，F級絕緣，冷軋硅鋼片。在保證能效指標的前提下，通過改進通風散熱結構、調整電磁設計，YX3可以將J1提高，實現既節能又節銅的目標，使整個國民經濟受益。

3 通風散熱結構[1]

3.1 機座上散熱片的排列

散熱片的排列有兩種：傳統輻射狀排列；及平行、垂直狀排列。前者，散熱效果好。后者，源于法國，旨在減少造型工時，但散熱效果不如前者好；對電機表面在使用中積累的污垢(影響散熱)的清理也不如前者方便。據某生產鑄鐵件的專業廠家供述，兩種機座造型工時差別不明顯，且因后者廢品率偏高，每噸價格還要高50元。

3.2 帶4個軸向風道的機座未達到預期的通風散熱效果

在Y2、Y3及其派生產品上測試，發現其通風散熱效果未達到預期的冷卻效果，見表1。

表1 對Y2、YX3及其派生產品(均為“緊湊型”)軸向風道外表面溫度的測試結果

表1中所列電機，就通風散熱結構而言，基本上可以代表Y2、Y3、YX3、YE3及其衍生、派生的315～500機座號的產品。按這樣的通風散熱結構，見文獻[1]圖6，其設計思路是：內風路在流經軸向風道時，應將內腔的熱量在風道中散發掉一部分，使內腔溫度降低。但實測卻得到相反的結果：內風路在從非軸伸端(外風扇端)流向軸伸端時溫度卻升高了5℃～12℃，平均升高10.4℃。此外，熱氣流吹到軸伸端的軸承處時，對軸承壽命也有影響。

3.3 YX3通風散熱結構的利與弊

YX3通風散熱結構若能減少造型工時，則優于傳統結構。但就通風散熱效果而言，如上所述，不理想。迫使YX3改變Y系列的“電機按F級絕緣制造，按B級絕緣考核”的初衷。

3.4 尋求合適的通風散熱結構

通風散熱結構對電機的質量、性能、制造成本均起到至關重要的作用。若結構不合適，低壓電機J1=2溫升仍不合格；結構合適，高壓電機的J1可以大于4。315～500機座號處于高、低壓；大、中型交叉段，通風散熱結構未必千篇一律。電機的生產廠家自己應搞些實驗研究。本文在參考文獻[1]中推薦過一種結構。

4 軸承結構[2]

國內電機行業將電機的軸承連同與之配合的零部件組成的整體稱之為“軸承結構”，并不指軸承本身的結構，本文也不例外。

在“三包”返修的電機中，軸承處出現的故障一直居高不下，主要是軸承處發熱及某些機械原因導致軸承過早地損壞。對待“軸承結構”的設計、加工，及軸承的選型、安裝、使用維護，等等，每一個環節都不允許有一點點的閃失。常常是一次故障由幾個因素同時作用促成。軸承在任何工作狀態下，滾動體—滾珠或滾柱與軸承內、外圈之間必須有間隙，即“游隙”；滾道中必須有潤滑劑(脂或油)，這是兩個必備的條件。游隙大，不行；小，也不行；沒有，更不行；潤滑脂多了不行；少了不行；沒有，同樣更不行，很“嬌氣”。

因此，將保證軸承安全運轉的逐項措施分解后，一一剖析。

4.1 軸承在軸承室中不能處于過盈狀態

軸承的游隙有三種：原始游隙—軸承出廠時的游隙；裝配游隙—裝到電機上的游隙及工作游隙—運行時存在的游隙。軸承一般是加熱裝到電機軸上，裝配游隙要小于原始游隙；運行時，軸承要發熱，端蓋或軸承套很難將軸承外圈的熱膨脹值“消化”掉，則工作游隙往往要小于裝配游隙。即三種游隙常常是一個比一個小。若電機裝配時軸承在軸承室中就處于過盈狀態，則很難保證電機的安全運行。因此，軸承室內徑公差的上差與下差最好都是“+”，見文獻[2]。

4.2 電機在工作中轉子應能自由蠕動

為保證電機在工作中轉子應能自由蠕動，最好選用一個單列向心球軸承、一個向心短園柱滾子軸承。若選用兩個單列向心球軸承，很難將電機工作中轉子產生的熱膨脹“消化”掉，使軸承的滾珠承受額外的軸向力而過早地損壞。若擔心極限轉速低，可選輕系列的滾子軸承。

4.3 兩端軸承的同軸度要保證

電機兩端軸承的同軸度要靠與軸承配合相關的零、部件—轉子、端蓋(軸承套)、機座的同軸度保證。這一點，大部分電機的生產廠家都清楚。但有一個機座變形的隱患，在生產中容易被忽略(見本文5)。機座變形，要破壞兩端軸承的同軸度，導致軸承的壽命降低，也是電機產生振動、噪聲的禍根。

4.4 選用、識別優質軸承

優質軸承價格高，但減少返修率，這筆賬都會算。關鍵是讓現場裝配工人學會識別軸承的偽劣。不妨將優、劣軸承各置一套，讓工人體察、感受、鑒別。

4.5 慎用“三軸承”

“三軸承”指的是電機的一端用兩套軸承—一套向心球軸承、一套短圓柱柱滾子軸承；另一端用一套短圓柱柱滾子軸承。該結構源于原西德，將它用在隔爆等級高的防爆電機上，旨在讓向心球軸承僅承擔軸向力及軸向定位；短圓柱柱滾子軸承僅承擔徑向力及徑向定位，以減少因隔爆間隙過小導致軸承內蓋與軸相擦的故障。若將其大面積鋪開，則大可不必。對于絕大部分普通臥式電機，選用兩套軸承：一套向心球軸承、一套短圓柱滾子軸承，在國內外已有幾十年成熟的使用經驗。“三軸承”有三個缺點：容易發熱、不便拆裝、浪費一套軸承。但近二十多年“市場經濟”中供需之間的微妙關系一直掩蓋著這樣一個純技術性的問題。

4.6 脂的牌號與加脂量

潤滑脂的牌號應適應電機的要求(主要是轉速)及使用環境。加脂量G(g)要適中

G=BD/(100～150)

式中，B、D—軸承寬度、軸承外徑的mm值。高速電機取小值；低速取大值。

電機出廠時，加脂量一般都偏高；有時，軸承有點噪聲也加點潤滑脂。這對保證正常運轉均屬無益。

4.7 擋油盤與甩油盤的設置

擋油盤與甩油盤，前者怕潤滑脂流失；后者擔心廢舊潤滑脂排不出去。目前在國內中小型電機上兩種結構都有。在正常情況下，軸承在運轉中只是一層油膜起潤滑作用，這層油膜若不流失、不變質，會一直起潤滑作用。全封閉軸承就是按照這一機理而設計、制造。因此，擋油盤較為適用。若借助擋油盤使軸承室能“含”住潤滑脂，則毋須加注潤滑脂，至少可以使加脂間隔放得較長。全封閉軸承就是這個道理。加脂過頻，沒有益處。

4.8 加強密封

軸承內外蓋處的密封，其重要性、采取的結構，此不贅述。順便提及的是，返修電機的內腔有時出現由軸承處泄漏的潤滑脂。這與電機啟動瞬間內風扇產生的負壓有關。設計時應采取相應的措施。

4.9 軸承處的通風散熱不可忽略

5 鑄鐵機座變形

近二十年來，大部加分電機生產廠家的鑄鐵機座都是由專業生產鑄件的廠家供貨。有些廠家追求效益，澆注后很快就打箱。有時，鑄件交到電機廠還是熱的，這樣的機座容易變形，質地也不佳。其中，變形對電機的質量影響較大。若電機廠生產周期短，在電機的制造過程中很難察覺到。但在運行中，這種變形將逐漸地釋放出來，它會破壞電機的同軸度，使電機產生振動、噪聲；也要減少軸承的使用壽命。

若金工加工好的機座，或者成品電機放在平臺上呈“三條腿”的狀態，機座就是變形了。為提高質量，最好將機座時效后再加工；或者，讓供貨廠家做時效處理。

6 結語

6.1 節能應結合使用現場實際使用情況，使I1實實在在地降下來。

6.2 應提高節能電機技術含量，提高J1，達到既節能又節銅，使整個國民經濟受益。

6.3 節能的同時不要忘記安全運行。軸承故障在整個故障中占的比率較大。因故障停產，則使節能效益大打折扣，不可掉以輕心。

6.4 機座變形是電機安全運行的隱患。質量保證體系應將這“看不見”質量問題醒目地納入相關的條文中。

[1] 李宗樹，楊萬青.中小型異步電機的通風散熱.防爆電機，2018.1.

[2] 楊萬青，劉建忠.實用異步電動機的設計、安裝與維修.北京：機械工業出版社，1996.