YXKK500-8 500～710 kW 6 kV高压高效三相异步电动机的研制

陈　鲲，韩新彦，李贤明，王　松，刘文超

(山东齐鲁电机制造有限公司，山东济南　250100)

YXKK500-8 500～710 kW 6 kV高压高效三相异步电动机的研制

陈鲲，韩新彦，李贤明，王松，刘文超

(山东齐鲁电机制造有限公司，山东济南250100)

摘要：介绍了YXKK500-8 500～710 kW 6 kV高压高效三相异步电动机的研制背景和总体设计方案。通过采取优化电磁方案、提高铁心压装质量、采用磁性槽楔、减薄绝缘厚度、研制高效风扇、优化风路结构等有效措施，将电机效率提高至国标2级能效标准，达到高效电机水平。与同机座号的普通效率电机相比，该电机具有效率更高、功率范围扩大、节能效果显著等优势，市场前景广阔。

关键词：高压高效；设计优化；节能

0引言

随着节能减排工作的深入开展，国家制定并颁布了《电机能效提升计划》。该计划对电动机及系统能效提升给予了大力的政策扶持，有助于淘汰落后产能，推广普及新型高效电机，推动电机行业全面升级换代。

依据国家的政策导向和用户的订货要求，本企业研制了YXKK500-8 500～710 kW 6 kV高压高效三相异步电动机新产品并交付使用。该电机中心高500 mm，功率分为500，560，630，710 kW四档，额定效率达到GB 30254—2013《高压三相笼型异步电动机能效限定值及能效等级》2级能效标准，属于高效率电动机。

1总体设计

该电机在研制过程中，综合考虑性能、成本、标准化、通用性和继承性等问题，形成总体设计思路如下：

1) 设计主要依据GB 755—2008《旋转电机 定额和性能》、GB 30254—2013《高压三相笼型异步电动机能效限定值及能效等级》，参考JB/T 10315.2—2002《YKK、YKK-W系列高压三相异步电动机技术条件(机座号355～630)》和尚未颁布实施的《YKK，YXKK，YKK-W，YXKK-W系列(6 kV，3 kV)高压三相异步电动机技术条件及能效分级(机座号355～630)》的审议稿。

2) 在满足产品性能和用户要求的前提下，尽量采用公司已有的工艺装备及材料，以降低生产成本，缩短制造周期。

3) 采用系列化、标准化设计，提高设计方案的继承性和通用性。

4) 充分考虑制造工艺，在开展新工艺研究的基础上，确保设计方案的制造工艺切实可行。

依据上述设计思路，形成电机总体设计方案，如图1所示。该电机由定子、转子、空冷器、外风扇、轴承等部件组成，防护等级为IP54，冷却方法为IC611，安装型式为IMB3。

图1　总体设计方案

2研制特点

2.1电磁方案优化

电磁方案设计的任务是通过计算和方案比较，来确定与所设计电机电磁性能有关的尺寸和数据，选定有关材料，并核算其电磁性能[1]。该电机电磁方案经过了多次优化优选，各项技术参数科学合理，主要方案如下：

1) 采用高强度磁性槽楔。

2) 减薄绕组绝缘厚度，以实现扩容增容和降低损耗。

3) 定、转子冲片材料采用低损耗无取向硅钢片50W350，以降低铁心损耗。

4) 采用铜条转子结构，比铸铝转子效率高。

5) 适当提高导电材料的电阻率要求。

6) 增加铁心长度，实现扩容增容。

7) 缩短线圈端部长度，减小相邻线圈间隙，以降低铜耗，并改善电机内部空间结构。

8) 绕组接线方式为8极1路Y接。

电磁方案设计秉持效率优先、性能可靠的技术创新原则，采用系列化设计，既满足高效率的要求，又保证了可靠性、稳定性和可行性，同时兼顾制造成本。

2.2高质量铁心

定、转子铁心冲片材料均采用低损耗无取向硅钢片50W350，与普通效率电动机常用的50W470硅钢片相比，铁损降低25%左右。同时提高对铁心压装精度、冲片毛刺要求，其中，冲片毛刺不大于0.03 mm，齿宽相差不大于0.12 mm，轭部相差不大于0.2 mm，铁心压装系数提高至0.98以上，齿部弹开度小于5 mm。制造过程中对冲模精度和冲裁间隙、冲槽机分度精度和定位精度、压装设备和专用工装有更高要求，提高冲片及铁心压装质量成为研制高效电机的重点技术攻关项目之一。

2.3磁性槽楔

电机铁心开槽将导致气隙齿槽磁导变化加剧，在整个圆周内，气隙中的磁场强度沿圆周分布产生很大的变化。当气隙磁密中的谐波含量增加时，由此产生的损耗、振动和噪声将大大影响电机的运行性能和使用寿命。磁性槽楔的使用可以减小由于齿槽结构引起的磁导不均匀现象，进而改善电机中气隙磁密分布，减小气隙磁密中的高次谐波分量，从而降低电机损耗、振动和噪声，提高电机的运行性能、延长电机的使用寿命。[2]

磁性槽楔在实际应用中，由于其会受到电机磁场力的作用，容易发生翘起、扭曲等变形，甚至开裂、粉碎，给电机的运行安全带来隐患。因此，本文采用新型高强度磁性槽楔，并对其质量严格把关，在发挥磁性槽楔优势的同时，确保电机安全运行。

2.4绕组绝缘减薄

绝缘减薄对于高效电机实现扩容增容、提高效率、控制温升三方面均具有重要意义，是研制高效电机的关键技术之一。

通过采用新材料和新工艺，实现定子绕组线圈的绝缘减薄，匝间绝缘厚度为0.4 mm(单边0.2 mm)，主绝缘厚度为2.8 mm(单边1.4 mm)。电磁线采用高性能新型扁铜线，主绝缘采用F级少胶云母带，线圈直线部分外部平包1层低阻防晕带，线圈端部外部半迭包1层高阻防晕带。相邻线圈间隙减小至3 mm，以缩短线圈端部长度，减少用铜量，并增加绕组端部与机座端板之间的通风空间，改善电机内部空间结构。带绕组定子铁心采用VPI真空压力浸渍工艺，减小嵌线间隙，提高槽满率，使绕组具有良好的绝缘性和防潮性能，提高电击耐压水平[3]。绕组线圈端部外侧用φ5涤纶护套玻璃丝绳绑扎φ12圆钢围成的硬端箍，以控制、稳定端部尺寸。

2.5高效风扇

电机中常用的风扇结构为离心式风扇和轴流式风扇。前者能产生较高压力，最适宜于一般电机特别是中小型电机通风系统的需要，主要缺点是效率较低；后者效率较高，但产生的压力较低，仅适用于低压下供给大量气体，一般用在高速电机中[1]。离心式风扇按照叶片倾斜类型又可以分为径向、前倾、后倾三类。径向式离心风扇可以双向旋转，但损耗大，效率低；前倾式效率较高，但噪声大，很少在电机中采用；后倾式效率较高，应用较为广泛。本文研制的电机转速约为744 r/min，属于低速电机，为了在保证风量和风压足够的同时，尽量提高效率，该电机的内、外风扇均采用后倾式离心风扇结构。经计算分析和试验验证，该电机风扇与同风量的径向式离心风扇相比，风摩耗降低20%左右。

该电机的内风扇叶片数量18个，叶片倾角50°，其结构如图2所示。外风扇与内风扇结构相似，叶片数量12个，叶片倾角45°。为降低制造难度和成本，内、外风扇均采用平风扇盘、平直叶片组焊结构，叶片与风扇盘垂直，沿旋转方向向后倾斜。风扇盘上可安装平衡块，用于转子平衡。

2.6风路结构优化

电机冷却方法为IC611，即采用外装式冷却器、空气冷却、自循环。冷却系统的空气循环风路如图3所示。其中，内风路采用径向通风结构，风路短，风阻小[4]。定子绕组端部外侧安装有挡风板，将内风路的上升气流和下降气流隔开，使得空气从电机中部上升， 从两端下降，形成闭合循环回路。由于

高效电机铁心加长，为保证下降气流的风道宽度足够，挡风板采用环氧玻璃钢模压成型，且与定子绕组端部的间距缩小至20 mm左右。外风路的外装式空-空冷却器为钢板焊接结构， 散热管采用规格为φ25×1.0的3A21铝管，以提高换热效率。冷却器内部设置有隔板，用于引导内部气流从中部上升，从两端下降，充分经过每根散热管，提高散热效果。

3对比研究

3.1技术参数

经理论计算与试验测试，高效率YXKK电动机主要技术参数均明显优于同型号普通效率YKK电动机。以YXKK500-8 500 kW 6 kV和YKK500-8 500 kW 6 kV为例，技术参数对比如表1所列：

表1　技术参数对比

3.2功率范围

本文研制的YXKK500-8 6 kV高压高效三相异步电动机，其功率型谱分为500，560，630，710 kW四档，而普通效率的YKK500-8 6 kV三相异步电动机，其功率型谱分为400，450，500，560 kW四档。由此可见，同机座号的高效电机与普通电机相比，实现了扩容和增容。

3.3节能效果

高效电动机具有良好的节能效果。以相同输出功率的高效电机YXKK500-8 500 kW 6 kV和普通效率电机YKK500-8 500 kW 6 kV为例，按额定工况、满负荷、一年运行8 000 h、电价0.72元/(°)计算：

高效电机年节约电费=40 527×0.72≈29 179(元)

根据计算，高效电机投入运行后，大约3～4年即可收回成本，经济效益显著。同时，高效电机的节能特性，对于减少排放、保护环境、提高资源利用率等具有重要意义。

4结语

1) 经过对YXKK500-8 500～710 kW 6 kV高压高效三相异步电动机系列产品中的500 kW型号进行全面的型式试验，该型电机性能指标全部满足要求并与设计值基本一致，证实了设计与分析的正确性。

2) 该电机通过采取优化电磁方案、 提高铁心压装质量、 采用磁性槽楔、 减薄绝缘厚度、 研制高效风扇、 优化风路结构等有效措施， 降低了电机的损耗， 提高了效率， 并实现了扩容增容。其中， 500 kW型号经型式试验测定， 额定效率为94.7%， 达到GB 30254—2013能效等级2级标准，属于高效率电动机，可以产生良好的经济效益和社会效益。

3) 该型电机在设计时充分考虑了加工制造的通用性，尽量采用通用件和标准件，有效控制了生产成本。随着今后高效电机的推广普及带来生产批量的不断增加，以及技术进步和通用性的提高，高效电机的生产成本还有进一步下降的空间。

参考文献

[1] 陈世坤. 电机设计[M].2版.北京：机械工业出版社, 2000.

[2] 梁艳萍,陈晶,刘金鹏. 磁性槽楔对高压感应电动机电磁参数和性能的影响[J]. 电机与控制学报, 2010, 14(3):1-5.

[3] 解育男. 风扇磨用YFM800-12 1 200 kW 6 kV IP54电机的研制[J]. 电机与控制应用, 2013, 40(8):66-69.

[4] 李贤明,李培德,陈鲲. 大中型高压电动机空-空冷却器设计[J]. 电机技术, 2013, (5):26-31.

作者简介：

陈鲲，男，1982年生，毕业于北京航空航天大学，工学硕士，工程师，现主要从事高压电动机设计与开发工作。