电动机生产制造与节能

(山西电机制造有限公司，山西太原 030000)

0 引言

本文的“产品”均指Y2及其衍生的Y3、YX3、YE3，以及其派生的防爆、绕线转子等H315～H560机座号“紧凑型”三相异步电动机。因为它们的整体特征—通风散热、电磁设计、机械结构基本相同，可以对其设计、制造、选型及使用中的关键环节一并剖析、论述，以供电机的设计、制造部门在提质降耗中，电机的使用部门在选型、使用维护中参考。以下三个课题阐述如何最大限度的实现提质降耗。

1 产品设计

产品设计是提质降耗的关键环节，制造、使用是辅助环节，但也与设计有着间接的关系。针对Y2及其衍生、派生产品二十余年在设计、制造、使用中发现的问题，就提质降耗而言，将与设计直接有关的几处进行剖析。

1.1 通风散热

H315～H560共6个机座号，高、低压并存，功率范围跨度较大，通风散热结构根据各自特点，进行调整。结构合理，高压电机的定子电流密度J1可以高于4A/mm2，否则，低压电机J1<3温升无法正常进行。J1的大小标识着电机消耗铜线的多与少。可见通风散热在电机成本构成中起到的作用。

1.1.1 机座上4个风道未达到预期的效果

H315、H355小机座号电机可以不采用图1的结构。YZR355按图1结构将内风扇取消后，电机的温并没有升高。若将机座上4个轴向风道取消，还可以增加热传导散热面积，J1又可以提高，机座的加工成本也降了，加上去掉了内风扇，这三个因素加在一起，对降低电机成本有很大作用。

图1Y2及其衍生、派生产品采用的通风方式

1.1.2 内风扇不应有三个

图1中，转子上两端的铝风叶是两个离心式风扇，加上后端的内风扇，共三个。其中前端铝风叶排出的气流向外吹，与从风道中排出来的气流相“撞”，使通风效果降低。

1.1.3 离心式风扇尽量选用后倾式

风叶后倾的离心式风扇比可以以正反转的离心式风扇损耗小。但用户为了方便，不用考虑电机转向，愿意要正反转的。若电机拖动的只是单方向运转的负荷，比如离心式、轴流式风机、水泵、油泵，如果功率比较大，且接近连续运行，选用后倾式风扇，其节电效果也是可观的。这需要电机厂家在招标时，向买家宣传到位，达成节电的共识。

1.2 铸铁机座

1.2.1 散热片排列方式

以散热效果、清理污垢的角度出发，Y2系列及其衍生、派生产品采用的平行、垂直排列的散热片不如Y系列、JO2采用的传统的辐射状排列的好。

1.2.2 机座时效处理

机座图样的“技术要求”中应对时效处理的要求写清楚。

1.2.3 尽量减少变形的隐患

电机中心高与定子铁心外径应匹配得当。有的设计为放大铁心外径，如：在355机座号上采用Φ650的冲片外径；在H400机座号上采用Φ740的冲片外径，使机座下部空间变得很小，散热片的高度很矮(它们兼起增加机座机械强度、刚度的作用)，下部很单薄，容易变形。

1.3 轴承结构

电机行业将轴承连同与它相配合的零部件合在一起称为“轴承结构”，本文也不例外。在设计、制造、使用中，把握住九个环节就能保障轴承的安全运转[1]。从设计角度出发，应抓住以下5个环节。

1.3.1 轴承在轴承室中不能处于过盈状态

轴承靠其游隙保障正常工作。其游隙有三种：轴承出厂时的游隙，称原始游隙；装到电机上存在的游隙称装配游隙；电机运行时存在的游隙称工作游隙。这三个游隙一个比一个小。若电机装配时轴承在轴承室中已呈过盈状态，则很难保证其安全运转。因此，轴承室内径的公差的上差与下差最好都选为“+”。

1.3.2 轴承的搭配要能保证转子自由蠕动[2]

为保证电机在工作中转子能自由蠕动，对于卧式电机最好选用一个单列向心球轴承，一个短圆柱滚子轴承。若选用两个单列向心球轴承，很难将电机工作中转子热膨胀“消化”掉，使轴承的滚珠承受额外的轴向力而过早地损坏。

转子工作时产生的热膨胀量可按下式计算

Δl=0.0000117(t2-t1)l(mm)

式中，t2—热态转轴温度 (℃)；t1—电机装配环境温度 (℃);l—轴承距 (mm)。

式中，gH—球轴承的径向游隙 (mm)；dw—钢球直径 (mm)。

若选用一个球轴承、一个圆柱轴承则可以避免上述现象。为了使圆柱轴承的极限转速能与球轴承匹配，可选轻系列的短圆柱滚子轴承。

1.3.3 慎用“三轴承”

“三轴承”指的是电机的一端用两套轴承：一套向心球轴承、一套短圆柱滚子轴承；另一端用一套短圆柱滚子轴承。该结构源于西德，为减少因隔爆等级高，轴承内盖与转轴间隔爆间隙过小而招致内盖与轴相擦的故障而采取的措施。旨在让向心球轴承仅承受轴向力和轴向定位；短圆柱滚子轴承仅承受径向力和径向定位。但若将此结构用在隔爆等级较低，甚至用在普通的密封式电机上，则大可不必。对于绝大部分卧式电机，选用两套轴承：一套向心球轴承、一套短圆柱滚子轴承，在国内外已有几十年成熟的使用经验。

“三轴承”有三个缺点：容易发热、不便拆装、浪费一套轴承。

1.3.4 轴承室要加强密封，且能含住润滑脂

轴承室密封的重要性，此不赘述。带内风扇的产品，启动瞬间容易将润滑脂吸到电机内腔，设计时应采取相应的措施。

轴承在工作中只是一层脂膜起润滑作用，只要它不流失、不变质，轴承就能一直正常运转。全封闭轴承就是按照这一机理而设计。因此，设法“含”住润滑脂，比如加挡油盘就是比较实用的结构。

1.3.5 轴承处的通风散热要顾及到

1.4 电磁设计

1.4.1 顾及使用中的实际节能效果

电机在使用中的实际节能效果体现在其定子输入电流I1上。

式中，P—电机的功率;U—电机的电压; cosφ×η—电机的效率与功率因数的乘积。

当公式中各参数的下标标以“N”时，则分别代表各自的额定值。当P、U确定后，I1与cosφ×η成反比，即cosφ×η越大，则I1越小，节能效果越明显。Y2及其衍生、派生产品的cosφ不太高。以YX3为例，其与JO2可以直接对比的18个规格的cosφ×η的平均值如下

JO2，cosφ×η=0.8017

YX3，cosφ×η=0.7822

JO2是上个世纪60年代设计，E级绝缘，热轧硅钢片；YX3是本世纪初设计，F级绝缘，冷轧硅钢片。显然，YX3在提高cosφ上仍有潜力可挖。

1.4.2 除去过剩功能

电机的负荷 、工况不同，对性能的要求也不尽相同：拖动机械设备与拖动风机、泵，拖动轴流式的与拖动离心式的风机、泵对转矩的要求也不一样：后者对堵转转矩Tst要求较高。在大型石化企业上用的电机，因其网络容量大，堵转电流Ist稍大一些，无大碍，而在货场、农村排灌上用的电机，Ist绝对不能超标。

就启动性能而言，除非特殊设计的产品，如拖动采煤机的高启动电机，绝大多数鼠笼型电机的Ist与Tst是互补的。即想要得到较低的Ist，Tst也要受点损伤，反之，亦然。因此，设计时，要做到“精心”，不能仅对技术条件上给出的标准值判定设计方案的优劣。比如，对于Y2系列4级的高压电机，Tst的标准值大于0.5～0.8倍额定值即为合格，但若负荷为皮带运输机或转动惯量较大的离心式风机，0.8倍的Tst显然较低，提到大于1.5倍才比较稳妥。

对于2、4极拖动轴流泵、风机的电机，Tst>0.8属于过剩功能，应下调，将挖出的潜力投到降低Ist上，其转子槽可由Zc=4(刀形槽)改为Zc=3(“猪腰子”形状)，后者浇筑工艺性好，废品率低，细条、断条故障少。

1.4.3 权衡整体性能

设计时，综上所述，不能仅仅局限在技术指标满足技术要求上，应推敲参数的选择是否能够获得较佳的电磁性能。有的参数，有较佳的值，不宜随意选取，比如，Y225-4,45kW电机，定子48槽，将定子双层绕组的节距选为1～12，短距系数为11/12，偏离了4/5、5/6最佳值，气隙磁场中5次谐波将以兴风作浪，使转矩—转差曲线产生较大的凹陷，尽管Tst合格，电机启动后仍不能正常运行[3]。将短距系数改为10/12=0.833后，电机投入了正常运行。

其它参数，如气隙值、槽配合、齿磁密等均有类似问题，以上提到的定子铁心外径也同样，它们与电机中心高有个合适的匹配关系，偏离这一匹配关系，将铁心外径放大，则带来通风散热效果差、机座刚度降低的弊端，设计者在“精心”的同时，应权衡整体性能。

1.5 剔除结构上的过剩功能

以下仅列举对电极成本影响较大的过剩功能。

1.5.1 带筋的焊接轴，筋的数目3或4个即可，筋与轴相焊时，焊接处的金属结构要遭受破坏，使该处机械强度降低。几家电机厂在返修的电机中发现：轴不是在最细的轴伸处断裂，而是在较粗的焊筋处断裂，目前，行业厂家多采用6根筋，若嫌3～4根筋少，可借助横向加筋(兼起挡风板作用)补强。

“西屋加拿大”生产的2700kW 6极绕线转子电机，其焊接轴仅用了三根40mm厚的钢板筋[3]。

筋的数目减少后，不仅节省了材料、焊条、焊接工时，降低了成本，还减少了转子风路上的风阻，提高通风效果。

1.5.2 隔爆电机止口处隔爆面可以缩短

目前机座与端盖止口配合长度均大于25mm，浪费了材料与工时，废品率也多，该处大于15mm即可。因为：该处的间隙因同轴度的要求小于0.2mm；机座与端盖间还有一部分平面接触面积，它也兼起隔爆面作用。

1.5.3 隔爆电机部分结构件功能过剩

接线盒，可以用增安型的。目前隔爆电机的接线盒实在太笨重，万伏级接线盒的盒盖需要两个抬或者用吊车吊才能装上。改用增安型的，防爆规程也允许，材质可以选用玻璃钢的，轻便、美观。

接线盒处的安全问题，在电气间隙、漏电路满足要求时，主要是密封的问题，这也是国内使用防爆电机的场所容易被忽略、容易出问题之处。因为接线盒也有“呼吸”的功能，密封性差，内腔容易积累冷凝水，导致接线端子间短路放电。若能把握住密封这个环节，盒座、盒盖没必要做的很笨重。德国防爆电机的接线盒采用钢板件，其重量不到国内同类产品的1/2。

底脚板过厚，按受力角度设计，可以减薄，特别是隔爆电机。在国内见到德国同类产品的底脚厚度仅为国产的1/2多一点。

1.6 高压电机绕组的端部处理

高压电机绕组端部的处理，从提质降耗上考虑，主要存在3个问题。

1.6.1 端部线圈间的间隙偏小

线间间隙在设计程序中按输入数据输送到电脑中。有的设计人员为缩短端部长度将应不小于5mm，选到2～3mm，不利于该处的通风散热。

1.6.2 端部绝缘层偏厚

端部绝缘层偏厚，除浪费材料外，同样影响散热。端部绝缘厚度是槽部的70%左右即可。

1.6.3 端部绑扎

端部线圈间最好加垫块，以保证线圈间有足够的风道间隙。端部的通风散热对电机温升起着一定的影响，特别是2极、4极电机，端部占的比例较大。

2 制造

制造厂都有完善的质量保证体系，以下仅摘其对提质降耗影响较大，在生产中容易察觉的3个问题。

2.1 机座变形

按老经验，铸铁机座不容易变形，但近年来大部分厂家的铸铁机座都由专业的铸造厂供货。这些厂家为提高效率，浇注后很快就打箱，铸件没有足够的“闷火”时效时间。有时铸件送到电机厂还是热的。

铸件加工中存在的内应力要经过较长一段时间才能逐渐地释放出来，所以在电机厂的机械加工中不容易察觉到因内应力的存在产生的变形。但它的危害则不容忽视：由于变形，使原本加工好的机座的同轴度破坏了，即两端止口不同轴。装成的电机两端的轴承也不同轴，它是电机产生振动、噪声、轴承过早的损害的祸根。因轴承出问题返修的电机一直居高不下。

机座变形另一个隐患是使定子铁心变形，定、转子相擦。在因此而返修的电机上，测量其定子铁心内膛，明显地成了椭圆。

电机一经三包返修，电机成本随之增高，这就是将机座变形与提质降耗牵扯到一起的原因所在。

若金工加工好的机座，或装成成品的电机，放在平台上呈“三条腿”状态，就是变形了。

2.2 同轴度

同轴度由机座、端盖、转子三大件保证。因它与机座变形造成的恶果有共同之处，对保证电机质量十分重要，在此一并提示。企业对此有保证对策，也认识到同轴度的重要性，故不赘述。

2.3 浸漆

绕组的浸烘对保证电机质量至关重要。因为这道工序在检查上不像金工加工的那样明显，但其对电机的温升、寿命，绕组的耐湿、耐蚀及机械强度，即电机宏观上的质量保证均十分重要，操作中对绕组质量不太容易监控，由浸烘质量不到位引起电机返修的故障也经常出现。采VPI工艺后，哪怕局部故障，整台绕组也要报废，并且拆线圈要耗大量工时。所以万万不可粗心大意。浪费铜线、耗费工时，换绕组是电机行业最亏本的事。

3 使用

以下阐述的内容包含对电机的选型及使用维护。在提质降耗的大题目下，侧重剖析、研讨电机的使用部门在电机选型、维护上出现的误区。

3.1 选型

选型的误区主要出现在石油化工系统对防爆电机的选用上。

3.1.1

在石油化工可燃可爆场所中，绝大部分场所可以选用增安型电机。但目前用隔爆型的多，这也和历史上延续下来的习惯有关。在购置、更换防爆电机时，原来选用的防爆类型一般都不轻易改动。

3.1.2 隔爆等级偏高

大庆石油化工总厂编写的“石油化工隔爆电气”[5]的材料得到的统计数据显示：ⅡA级防爆场所约70%，但目前仍以ⅡB级电机居多。

当隔爆电机内腔净容积大于2000cm3，轴承内盖与转子相接合的隔爆面有效长度≥40mm时，内盖与转轴间隙的直径差，ⅡA级隔爆可以0.75mm，ⅡB级则是0.4mm。显然，在不需ⅡB级电机的场所坚持选用ⅡB的，而不用ⅡA的，隔爆功能没必要过剩，剔除这一过剩的功能，选用ⅡA的电机，因其内盖与轴的间隙可由0.4mm放大到0.75，二者相擦的或然率大大的降低了，使用中反而更安全了。

3.2 轴承选用的误区

由于近30年防爆电机行业一直是买家的市场，厂家不敢得罪买家，对电机提出的要求无论是否合理，都设法满足。“三轴承”就是一例。买家误认为“三轴承”好。招标订货时，企业的工程技术人员应该耐心地向买家解释“三轴承”的弊端。

3.3 轴承加注润滑脂过频

如上所述，轴承工作时只是贴近滚道的一层脂膜起作用。润滑脂过多，轴承容易发热。

4 结语

本文在探讨如何在设计、制造、使用上实现提质降耗这一用户、生产厂家十分关切的课题的同时，重点剖析设计因素；并强调降低产品故障率在企业提高整体效益型的重要性。

(1)电机设计在企业经营中的提质降耗上起到责无旁贷的作用。设计人员应从全局利益出发做到“精心设计”。

(2)制造上应侧重保障电机安全运行的几个重要环节。对机座变形、同轴度、绕组浸烘这样既十分重要，又不容察觉的关键工序要在质量保证系统中予以格外地提示，并有相应的保障措施。

(3)企业营销人员或设计人员应在电机使用中的“过剩功能”上与电机买家达成共识。通过宣传、解释，使买家对除去过剩功能(过高的防爆等级、三轴承等)的重要性、现实性予以认可；可以用石化系统或普通工业用户在选购电机中由于剔除过剩功能而额外受益的实例说服自己的买家。

(4)电机的安全运行对电机供需双方都十分重要：供方，减少返修率，提高企业的整体效益；需方，减少因电机故障带来的损失。某公司“常减压”的现场工人讲：因电机故障停车，即便是几分钟，造成损失也远远超过电机本身的售价。