高压异步电动机系列化、标准化、模块化

黄沛沛，李 楠，李刚强

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

电机是整个工业不可缺少的部分装备，而高压异步电动机作为电机中重要的一类，被广泛应用于工业社会的各个领域。高压异步电动机市场每年需求量巨大，而此巨量的需求给生产制造公司带来极大的生产压力，包括但不限于生产周期压力、物料管理压力、质量控制压力等等。相应的，目前异步电动机行业内的竞争也主要体现在成本、交货期、质量方面。异步电动机系列化、标准化、模块化的开发设计理念是解决上述问题的一个突破口。通过系列化、标准化设计大幅减少物料种类，减轻物料管理压力；通过模块化设计推动生产标准化，从而实现预投产导致生产瓶颈的电机零部件的目的，大幅降低生产周期压力。目前国内异步电动机的系列性较为完善，本文主要就如何实现方箱式高压异步电机的标准化、模块化进行讨论，为高压异步电机系列化、标准化、模块化的建设提供一些思路。以下提到的通用化概念是作为模块化设计的实现手段的概念论述的。

针对高压异步电动机的特点，为更好地阐述标准化、模块化的理念，我们将高压异步电动机结构构成分为核心部件、主要部件和配套辅助部件三大类。核心部件是指电机中受限于电机原理、工艺水平等，无法很好地做到通用化的部件，具体包括电机定子铁心、线圈、转子铁心等零部件。主要部件是指生产周期较长、影响电机整体生产进度的部件，包括电机转轴、机座、轴承、端盖等。配套辅助部件主要指为使电机可控、安全、良好的运行，而配备的一些辅助件，包括电机出线盒、空间加热器、轴承进油装置、仪表监测装置等等。

1 核心部件

核心部件是电机定、转子部分中直接与电磁方案相关的部件，此类部件主要采用定制化和标准化并行的设计理念。

因电动机在国民生产活动中的广泛应用，其负载也是复杂多变的。不同的负载对电动机输出功率、转速等的要求更是多种多样，针对不同中心高、极数、功率的电机，其定转子冲片的槽型及尺寸均需进行定制设计。但冲片牌号、其他零件等可以采用标准化设计：如定子冲片外圆的纵向筋，可以采用相同材料、不同中心高电机统一规格的标准化设计理念。

1.1 定、转子槽型

在高压异步电机中，6 kV级和10 kV级是最常见的两个电压等级。开发这两个电压等级的基本系列电机时，同一中心高、极数基本可实现采用同样的槽配合。对定子部分而言，大多数情况下可实现同一中心高、极数采用相同的定子槽型；对转子部分而言，建议同一中心高、极数下的槽型，导条部分尺寸保持一致，槽口宽保持一致，为调节启动电流转子槽口高可进行适当变化。这样，配合定、转子槽冲模的合理设计，制造厂家的槽冲模数量可大幅下降，降低维护费用、出错率及生产制造成本。

1.2 转子冲片

参考国内市场高压异步电动机的设计、制造经验，我们需着重考虑减少转子轴孔模的数量。目前高压异步电机转子通风孔(特别是H500 mm及以下中心高的电机)一般位于转子冲片上，为提高生产效率，转子冲片轴孔和通风孔用一个模具同时冲出。

根据轴孔模的特点，一般建议转子冲片内径到通风孔的底部切线(圆形通风孔)或底部弧线(扇形通风孔)选用固定值。此尺寸的选择是否合理可通过以下条件判定：首先需核算转子冲片的机械强度是否满足要求；其次通过核算转子槽底到通风孔之间的磁密与冲片内径到通风孔之间的磁密分布，来判断尺寸是否合理。4～12P的电机可从通风面积、电磁方面综合考虑将此尺寸划分为2～3档(建议2档)。

随着电机极数增加，转子外圆尺寸变大，定转子气隙变小，对于系列电机电磁方案的设计来说是一个挑战，此时需兼顾考虑挠度与大极数最大功率(影响最长铁心)。简单来说，要实现目标，以4P、6P系列方案计算为基准，在电磁、机械允许(主要是屈服强度)的情况下设计尽可能大的通风孔，之后其余极数以4P、6P方案为参考，保持一致。

1.3 定子线圈

依据系列电机设计经验，电压为10 kV，额定功率900 kW及以下的电机，其定子线圈大量采用N型绕线的工艺，但N绕法有相对高的质量风险以及较高的制造成本等缺陷。随着线圈制造设备及制造工艺水平的提升，目前电机行业内逐步倾向于使用单匝线圈。基于以上背景，6 kV级与10 kV级电机的定子内径与槽型很难保持一致，10 kV级电机内径往往比6 kV级内径尺寸小，槽型相对瘦高。标准化设计与质量、成本方面的考虑需要根据不同企业的综合能力来评估。

2 主要部件

2.1 机座

高压异步电动机方箱式机座的推广使电机机座的通用化程度实现了质的提升。但目前方箱机座内部零部件尺寸大多与电机定转子偏心以及电机铁心长相关，造成同一中心高、同一极数的电机机座无法通用，对于制造企业来说机座实际物料数量依然很多，从根本上限制了电机机座预投产的可能。

我们可以通过对电磁方案、机械结构的合理安排，将电机定转子偏心统一，将机座内部零部件尺寸与铁心长脱离关系，实现每个中心高电机采用同一通用机座，从而实现机座的模块化预投产。电机机座的预投产，一方面可解决机座的生产瓶颈问题，还可有效地解决因为生产周期短机座无法充分释放应力的问题，从而提高机座质量的稳定性。

2.2 电机转轴

高压异步电动机的转轴主要有光轴和焊筋轴两种结构。电机转轴影响生产周期主要体现在两个方面：一是焊筋轴结构的转轴，由于生产工序以及自身特点，结构较复杂，生产周期长，是影响电机生产周期一个主要瓶颈；另一方面则由轴的通用化程度低导致，如同一中心高采用不同的转轴直径等等，导致轴锭的尺寸种类很多，很难实现预投产。

如何取消焊筋轴结构及实现轴的尺寸统一是系列电机开发中应该思考的问题。根据系列开发经验，H630 mm及以下中心高的高压异步电动机可以通过在转子冲片上开通风孔的方式，实现光轴代替焊筋轴的目标。另外，通过机械、电磁及通风的综合计算考量，可以实现同一中心高轴径、各尺寸的统一。光轴生产工艺简单，可以大幅缩短生产周期；另外轴径的统一，转轴精加工尺寸只与电机铁心长相关，则轴锭尺寸种类大幅减少，达到一个中心高电机仅有空空冷和空水冷两个规格轴锭的目标，实现了轴锭的模块化预投。

转轴材料采用标准化设计思路，根据负载、电机工况的差异，统一转轴材料种类，大幅缩减生产周期压力，解决电机生产周期瓶颈的问题。

2.3 轴承

H355～H630 mm中心高、4～12P电机标准配置推荐采用滚动轴承，可根据用户需求配置滑动轴承。根据系列电机容量及转子相关数据，同中心高、不同极数电动机通用一种轴承选型，综合考虑各类附加要求设计标准轴承。据此，可实现同中心高电机轴伸端和非轴伸端各采用一种规格轴承，从而实现轴承的模块化预投产。(根据轴承的性能最优选择、成本综合因素以及电机转子数据的不同，H560 mm和H630 mm中心高可每中心高分两类考虑，不影响整体通用化程度)

2.4 端盖

端盖与轴承套采用一体化新结构，不但有助于提升电动机的振动性能指标，同时有助于轴承散热以及端盖的标准化建设。而与机座、轴承相配合的端盖结构设计，可实现每中心高电机轴伸端与非轴伸端各采用一种端盖，从而实现端盖的模块化预投产。

2.5 冷却器

综合考虑电机风量、风压、风阻、损耗与优化后的电机损耗，设计冷却器、冷却器管材排布与外壳腔体的结构，通过合理规划减少冷却器的规格种类，实现冷却器的模块化预投产。

3 配套辅助部件

配套辅助部件是出线盒，冷却器，轴承部件等，此类部件采用通用化、模块化以及更高的标准化设计理念。

3.1 轴承进油装置

通过采用软管新结构，大大简化了轴承进油嘴结构，各中心高电机统一采用一种形式的进油嘴，实现模块化预投产。

3.2 空间加热器

电机用空间加热器根据电机情况尽可能统一系列电机中加热器的类型，但是规格可以多样。在规格多样的情况下，可以通过一定的设计，只是电阻丝不同但确保安装尺寸一样。通过加热器本体与电机盖板结合的方式，将加热器的安装尺寸统一，实现模块化预投产。此外还可以统一加热器出线盒，主出线盒，中性点出线盒孔的尺寸，使其在提供加热效果的同时保证标准化、易安装性以及美观性。

3.3 出线盒

电机出线盒包括主出线盒、中性点出线盒、加热器出线盒和测量出线盒。主出线盒和中性点出线盒的设计首先要依据相关电气方面标准，保证电气距离的前提下，统一出线盒外部尺寸。接口尺寸若整个系列中无法统一，可通过使用过渡座来统一尺寸。过渡座的引入一方面可为电机电缆提供引线空间，另一方面对提高出线盒的通用化有很大的意义。

加热器出线盒和测量出线盒可根据电机具体情况做通用化设计。

3.4 其他细节

标准化、模块化设计方面需综合考虑，各零部件所使用的材料种类尽量统一，电机盖板厚度尽量统一，此外电机所使用的紧固件的种类也要尽量统一，这样可以提高电机维护的方便性，减少维护工具的种类，提升用户安装、维护体验。

4 结语

通过上文阐述的设计理念，高压异步电动机的生产可基本实现零部件预投产的目标。其后的生产方式即可转变为：主要部件和配套辅助部件均为零部件库存，具体生产订单生成之后，定制电机核心部件；核心部件生产完成后，提取主要部件及配套辅助部件库存，进行电机整机装配，总装配完成后电机即可出厂发往用户现场使用。此生产方式实现两大优势：1)大幅缩短交货期；2)减少整机库存，实现零部件库存的目标。

以上是上海电气集团上海电机厂有限公司最新推出的高压异步电动机系列在系列化、标准化、模块化方面所践行的设计理念以及取得的进展的简单介绍与分享。