电机整体结构的防护等级标准解读及案例分析

庄少红，谭耀堂，黄嘉彬，陈俊军

（威凯检测技术有限公司，广州 510663）

前言

电机产品的研发通常考虑到的是功率、尺寸、转速、能效效率等作为主要参数，而往往会忽视电机外壳的防护能力重要环节。电机外壳设计是电机安全性能提升的重要环节，作为厂家需着重关注。目前，针对旋转电机整体结构的防护等级标准主要是GB/T 4942-2021《旋转电机整体结构的防护等级（IP 代码）分级》。

市面上绝大多数小功率电机未标IP等级，很大程度上是因为工作环境不需要达到IP等级要求，通常结合在整机上使用的电机，会根据整机使用的工作环境达到特定的IP等级，以便整机产品更容易通过IP测试。比如空调器室外机用的电机，建筑物外部换气扇用的电机，这类型整机在家电产品标准中规定至少达到IPX4等级要求。电机必须充分考虑到工作环境和使用要求，以便设计和选用具有适当外壳防护等级产品，而不是盲目的追求更高的防护等级，更高的防护等级意味着对外壳的材料和加工工艺也相应有更高的要求，生产成本也会随之增加。

1 标准内容概述

GB/T 4942-2021《旋转电机整体结构的防护等级（IP代码） 分级》规定了旋转电机整体结构各个防护等级的含义、标志方法、试验方法和认可条件要求。总的来说一方面是为了防异物的进入以及防直接或间接接触危险部件，另一方面是防水的测试。使用代码字母IP、第一位表征数字、第二位表征数字、或补充字母表示，补充字母是在增加防护内容时使用，在IP第二位表征数字后表示，IP代码（含补充字母）标志示例如图1所示。

图1 IP代码（含补充字母）标志示例

2 电机整体结构的各级防护等级解读

2.1 第一位表征数字代表的防护等级的含义

第一位表征数字主要分为了以下两方面的防护：

1）对于接近危险部件的防护：主要是为了人体的某一部分（例如手指）、手持的物棒与电机内部导电或转动部件之间保持足够的间隙，避免人体造成触电或机械伤害。

2）对于固体异物进入的防护：主要是为了防止外界固体异物进入壳内，避免对电机正常运行造成影响，例如外界粉尘、固体异物的进入可能会引发短路、击穿和运动部件卡死等设备故障的情况。

第一位表征数字总共分为0至6级的防护等级，在表1里清楚的描述了其代表的防护等级的含义。

表1 关于第一位表征数字表示的防护等级含义

2.2 第二位表征数字代表的防护等级的含义

第二位表征数字的防护主要是为了防止水的侵害，水的进入可能会导致绝缘性能下降，造成电路故障、短路等安全隐患。总共分为0至9级的防水等级，在表2里清楚的描述了其代表的含义。

表2 关于第二位表征数字表示的防护等级的含义

2.3 电机外风扇防护罩的防护要求

对于备有外风扇防护罩的旋转电机，如图2，为了防止触碰到外风扇的叶片和轮辐等危险部件（光滑部件除外），外风扇防护罩需要符合相应的防护等级要求，例如IP第一位表征数字为1的电机，其防护罩则要进行50 mm试球试验；IP第一位表征数字为2至6的电机，其防护罩要进行标准试指试验。

图2 电机外风扇防护罩(白框所示)

2.4 电机泄水孔的防护要求

对于备有泄水孔的电机，如图3，为了防止电机内部积水而减少绕组和裸露的带电部件对地的电气间隙和爬电距离，该泄水孔需要达到不同等级的防异物进入和防触及转动部件的要求，例如产品安装说明书规定了正常使用时泄水孔是开启的，进行IP 试验时也保持开启状态，如果泄水孔没有配备安装呼吸阀或堵头等，泄水孔视作开启状态进行IP 试验；对IP第一位表征数字为3或4且开启的泄水孔，其泄水孔则要进行IP2X等级试验；对IP第一位表征数字为5开启的泄水孔，其泄水孔则要进行IP4X等级试验。

图3 电机底部泄水孔(白框所示)

3 试验方法概述

本标准从电机外壳防护等级的各级试验条件上，分别从试验用设备、试验方法、合格依据等方面给出了相应的规定。

比如IP第一位表征数字试验用到的不同尺寸的试具，是用来检验电机外壳的各个防护等级，并施加一定的力来检验距离危险部件是否有足够间隙。其中IP第一位表征数字为1、2、3、4的试具，分别为直径50 mm刚性试球、直径12 mm长80 mm金属试指以及直径12.5 mm的刚性试球、直径2.5 mm硬钢丝、直径1.0 mm硬钢丝。对于IP第一位表征数字为5和 6的防尘试验则使用防尘箱进行，注意电机的外壳均属于第一种类型的外壳，需用真空泵抽气使电机壳内气压低于环境气压；IP第二位表征数字的防水试验分别使用滴水装置、摆管、手持式淋水喷头、标准喷嘴、 潜水箱、扇形喷嘴等设备进行。试具用力、设备的尺寸在标准里有具体的规定，本文不在此作详细描述。

下面对电机的外壳防护测试中需要注意的要点进行说明，例如：

1）电机的防水或防尘试验应在GB/T 2421.1-2008规定的试验用标准大气环境条件下进行，以保证试验结果的准确性和可溯源性；

2）电机应保持清洁的、完好的，所有部件都应按照铭牌或说明书上预定的安装方式进行安装到位；

3）除防尘试验外，进行IP第一位表征数字试验时应注意选择正确的试具和试验用力；

4）防尘试验需要确认防尘箱抽气量（至少为80倍壳内空气体积）、压差（不超过2 kPa）、试验时间等参数的具体要求，另注意防尘箱使用的滑石粉要用75 μm宽度的筛网过滤，每立方米防尘箱内体积的滑石粉用量为2 kg，且使用次数不超过20 次；

5）IP第二位表征数字的防水试验需确认电机安装方式、试验方向、水流量、水压、样品温度（IPX7试验水与电机的温差不大于5 K）、水温（IPX9试验水温为（80 ±5）℃）、试验时间等参数的具体要求。

4 认可条件概述

认可条件是判定各级防护等级试验合格的依据。

IP第一位表征数字同时满足对防止接近危险部件和防止固体异物进入可判定为合格，其中对防止接近危险部件的认可条件是：标准试具与危险部件之间有足够的间隙，不同额定电压的电机对于“足够的间隙”的含义也不同，例如：①交流不超过1 000 V，直流不超过1 500 V的低压电机，试具不能触及带电或转动部件（光滑转动部件除外）；②交流超过1 000 V，直流超过1 500 V的高压电机，试具置于最接近壳内带电部件的位置，通过测试试具与壳内带电部件之间的耐电压试验来判定。

对防止固体异物进入的防护等级，IP第一位表征数字为1、2、3、4的认可条件是:试具的直径不能进入壳内；IP第一位表征数字为5的认可条件为：滑石粉积聚的量和部位如同一般尘埃积聚的情况一样不足以影响电机的正常，也不会影响爬电距离；IP第一位表征数字为6的防尘试验认可条件为：试验后电机内部无滑石粉进入。

IP第二位表征数字对防止水进入的防护等级，认可条件是：电机的进水量不能影响电机的正常运行；电机内的积水不能浸及绕组和带电部件；有排水措施的电机，允许水沿轴端漏入，对于没有排水措施的电机应不允许水沿轴端漏入，这会使电机存在很大的安全隐患。

5 常见的不合格案例分析及整改措施

5.1 电机常见不合格案例有以下情况

1）泄水孔不合格问题

某企业设计的电机进行IP55试验不合格。试验后，经检查发现有尘、水从底部的泄水孔进入内部电极板上，由于泄水孔没有安装堵头，泄水孔试验时视作开启状态，导致电机底部的泄水孔不符合IP4X试验，直径1 mm试验针施加（1±0.1）N的力能进入泄水孔内部，如图4。整改措施建议：增加堵头堵住泄水孔，并在说明书中注明电机运行中泄水孔处于关闭状态；或取消底部的泄水孔。

图4 外壳防护IP55试验不合格

2）外风扇防护罩不合格问题

电机外风扇防护罩的试验要求往往是最容易被企业忽略的。对于外风扇防护罩的试验，如图5进行的试指试验，罩体边沿存在较大间隙，导致试指触碰到风叶危险转动部件，IP测试不合格。整改措施建议：将外风扇防护罩适当往前移，减小间隙空间，使标准试指不能完全进入；或适当改小风叶尺寸。

图5 试指触碰到电机风叶

3）接线盒进水问题

某厂家生产的接线盒的接合面处呈拱形状，导致与接线盒的端盖接触面太小，如图6。进行IPX5或IPX6的喷水试验时，容易承受不住一定水压的冲击进水。整改措施建议：把接线盒的上沿改宽、平，以此来增大与上端盖的接触面积，同时在接合面处增加胶垫（圈）压紧。

图6 电机接线盒进水位置(箭头所示)

4）电源引出线端口进水

电机的电源引出线孔的防水接头与端口无垫圈压紧，当防水接头尺寸与孔不完全吻合时，防水测试时容易导致水从该处渗入。整改措施建议：电源引出线的防水接头与端口前后接合面增加橡胶垫片，配有锁紧螺母锁紧密封，如图7。建议使用具有一定耐老化、耐磨性能的胶垫片。

图7 防水接头处增加橡胶垫片(白圈所示)

5）轴端进水问题

对于电机轴端进水，在进水量很少的情况下，可建议厂家采取轴承处油封设计，基本可防止水或尘沿轴端渗入，或者在不影响运转性能的情况下，外加密封胶圈套在电机出轴端上，如图8。若电机轴端缝隙较大、进水量较多时，则需重新改模。

图8 电机进水位置整改措施

5.2 防水防尘整改

防水防尘整改一般做法是提高外壳密封性，但也可从电机内部的带电部件采用绝缘隔绝方式，例如某电机产品内部元器件采用一种“气相沉积”技术涂层绝缘，灌封一种绝缘性能较好的材料以达到防止水、尘的损害，如图9。

图9 绝缘灌封部位(白框所示)

6 结束语

本文通过对电机整体结构的防护等级要求解读和常见问题的分析，并提出一些解决方案。使研发人员充分了解电机设计防护能力的要求，提升电机产品质量可靠性，避免盲目地选取较高的严酷等级造成试验的不通过。同时在检验电机的过程中需要试验人员的严谨细致，充分的理解标准内容，并运用正确的测试方法以得到准确的结果。