【摘要】以一台YX2KK450-2 1800kW 6kV 50Hz电动机的研制为例, 从高效节能, 高功率密度, 通风散热, 减振降噪, 加工工艺等方面, 并结合相关仿真及样机试验结果, 说明该型号电动机的研制取得了成功。
1 引言
近年来，随着大型设备提高传动效率，优化传动结构的推进，高速大、中型电动机的市场需求量越来越大，高效节能也被提到越来越重要的位置。高压大中型电动机能效标准如GB 30254-2013《高压三相笼型异步电动机能效限定值及能效等级》业已于2014年9月1日起正式实施。湘潭电机公司通过对标国际先进电动机制造商如SIEMENS、ABB等，研制了YX2KK450-2 1800kW 6kV 50Hz高速高效率高功率密度三相异步电动机，实现了高速电动机效率更高，体积更小，噪声更低的目标。
2 设计要素
2.1 总体设计
YX2KK450-2 1800kW 6kV 50Hz高速高效率高功率密度三相异步电动机按照机械行业标准JB/T10315.2-2013的型谱编排应是H560机座号的最大功率档，现在降低了两个完整的中心高放在H450机座号上，必须要在电磁方案，结构强度，通风散热等方面采取相应措施才能确保电动机各项性能指标合格。
在研制过程中运用电机学、电磁学、力学、机械学、流体理论等原理，通过三维电磁场、流场、温度场的分析计算，结合少胶超薄绝缘结构、采用大直径定子外径尺寸并加长铁芯、优化定转子通风散热结构、优化冷却器与外风扇及内风路的匹配设计、优化定子线圈端部的通风结构，采用新型挡风板、优化机座结构、优化工艺参数等措施。
2.2 电磁方案设计
电磁设计通过采用合理的铁芯三圆、气隙、槽配合，合适的绝缘结构、槽形结构，优选高性能硅钢片及槽楔材料，优化电、磁、热等负荷的选取，合理分配各项损耗。电磁设计采用路场结合，首先根据性能指标采用磁路法进行电磁方案计算，然后进行二维电磁场和系统动态仿真分析，得出优化的电磁方案。该电动机的定子铁芯尺寸及电负荷、磁负荷如表1、表2、表3所示。
表1 电动机定子铁芯尺寸
表2 电动机电负荷
表3 电动机磁负荷
2.3 电动机结构设计
高速电动机的结构设计主要围绕增加结构强度，降低电动机振动进行。需对定子、转子、端盖等进行必要的机械应力、形变，振动模态，固有频率等进行仿真分析，确保电动机的可靠性。
定子铁芯外圆焊筋，机座端板与隔板之间沿定子铁芯周围增加轴向支撑，形成笼型支撑结构，增加定子结构刚度。
转子采用铜条转子，为减小电动机冷态振动，防止热态振动，转子铜环采用外带护环结构，转子导条采用滚挤机全长挤紧，转子铁芯与转轴之间不带键，通过采用合适的过盈量进行传动，转轴采用锻件轴，提高材料的稳定性，转子做高速动平衡。
2P电动机在降低中心高提高功率密度时一般会按挠性轴设计，铁芯细长，电动机工作转速高于转轴的一阶临界转速。但是，电动机启动时转速爬行在一阶临界转速附近时，电动机会剧烈振动，影响电动机寿命，并且挠性轴电动机不适合变频运行。本电动机按照刚性轴设计，根据经验，转轴设计时，一阶临界转速在1.2倍工作转速以上即可。经计算本电动机一阶临界转速3641r/min，挠度4.37%。
轴承结构采用三轴承结构，前段为固定端，采用一球一柱双轴承，后端为自由端，采用一柱轴承。前、后端轴承寿命计算值均在10万小时以上。
2.4 通风散热设计
电动机采用IC611冷却方式，轴、径向复合通风。电动机功率密度的提高，必然需要相应的通风散热结构来保证，合理的风路结构对提高通风换热能力具有重要的意义，因此在电动机设计过程中，对电动机定、转子径向通风道个数及宽度，冷却器冷却管分布形状，管内流速，外风路系统结构等进行综合设计，通过内外风路及冷却器的耦合分析计算，设计出优化的风路系统。
内风路采用对称风路结构，内风扇采用机翼形轴流风扇，风量大，损耗低。
优化冷却器导风罩及导流板结构，采用后倾式外风扇，蜗壳结构外风扇罩壳。外风扇设计时，根据风量，风压计算出风扇比转速达到190，根据风机比转速的特点，该比转速已经达到了轴流风扇的范围，但考虑到降低电动机噪声的要求，采用了大比转速离心风扇，工作点取在高流量区域。
本电动机的热负荷值比普通高效系列热负荷值要高一些，一方面，考虑到主绝缘的减薄，线圈部分热阻减小了，提高了散热效率，定子铜线产生热能有利于传递与散发，另一方面，改善定转子通风散热结构，减小定、转子通风道宽度，增加定、转子通风道数，增大转子轴向通风孔面积，提高电动机内部通风面积和转子通风能力；增大流过定子线圈端部的流速，提高其热交换能力。采用通风效率高的机翼形轴流风扇，提高电动机通风散热能力，也可降低机械损耗。采用流体分析软件及湘潭电机公司自主研发的内外风路耦合的创新计算方法对冷却器及内部通风结构，进行温升分析计算，改善冷却器的冷却效果。
3 样机验证
以一台YX2KK450-2 1800kW 6kV 50Hz电动机为研制对象，采用上述措施，降低两个中心高，即型号规格由YXKK560-2 1800kW 6kV变成YX2KK450-2 1800kW 6kV进行样机试制。通过型式试验，主要性能指标(试验值)与国内外同类产品比较如表4所示。
表4 样机主要指标与其他同类产品的比较
从表4数据可知：
湘潭电机公司YX2KK450-2 1800kW 6kV样机的效率高于ABB、SIEMENS和国内某电动机商电动机，高于湘潭电机公司原系列YXKK560-2 1800kW 6kV电动机0.35%，样机效率值高于国家1级能效标准。
湘潭电机公司样机功率因数高于ABB和国内某电动机商电动机，低于SIEMENS电动机。
湘潭电机公司样机噪声低于ABB电动机1.1dB(A)，低于原系列8.7dB(A)，达到了低噪要求。
湘潭电机公司样机功率密度低于ABB，高于SIEMENS。
湘潭电机公司样机较原系列电动机减重3411kg，减少了38.45%。
对2P电动机极为重要的振动指标，该样机只有0.7mm/s，远低于国家标准的2.3mm/s。
由试验结果可知，电动机各项性能指标均优于相关技术标准的保证值，效率及功率因数高，振动小，噪声低，达到了预期目标。
4 结语
样机型式试验数据表明，试制取得了成功，通过对标ABB，SIEMENS，表明湘潭电机公司高速电动机制造能力达到国际先进水平，对提高我国高速电动机产品的国际竞争力具有重要的推动意义。
参考文献
[1]陈世坤.电机设计(第2版)[M].北京：机械工业出版社，2000.
[2]薛金浩.采用大气隙提高2P电机效率[J].电机技术，2006，(03).
[3]赵东芝.电机通风技术的改进[J].电机技术，2005，(02).
本文转自《现代商贸工业》2017年第20期