中國長江航運集團電機廠楊 武漢 430074

摘 為適應起重機的輕量化設計，開發了一種緊湊型起重專用變頻電機。本系列電機的電磁和風路設計， 指出設計要點。該設計可以大大降低機構質量，縮小起重機的極限尺寸，提高起重機使用場地的利用率，實現起重機的輕量化設計，對節能降耗、促進綠色低碳經濟發展具有重要意義。

關鍵詞:變頻電機；緊湊型；起重專用；

中圖分類號： TM302 文獻標識碼：A 1001-0785(2018)07-008-04

0 起重機作為一種重要的材料搬運設備，在國民經濟發展中發揮著不可或缺的作用，廣泛應用于車間、貨場等領域。隨著科學技術的發展， 節能需求和激烈的市場競爭迅速向節能經濟發展。

加入WTO 之后，越來越多的外國品牌起重機進入中國市場，其產品外觀精致、美觀、重量輕，起重機本身高度低，可有效降低工廠高度，對傳統起重機市場產生巨大影響。大多數傳統的起重機構由電機、制動器、減速器、卷筒、滑輪等組成，體積大，質量高。歐洲起重機一般采用三支支撐安裝形式，電機直接安裝在減速器外殼上，結構緊湊，重量輕，電機和減速器懸掛安裝，要求電機功率密度盡可能大，電機旋轉慣性盡可能小，確保電機頻繁啟動、點、正反轉加速性能好，可減少點對減速器和機構的影響。目前，繞線轉子電機、普通變頻電機等傳統起重電機都不能滿足這一要求，因此， 設計高功率密度緊湊型起重專用變頻電機。隨著十二五國家科技支持項目——通用橋式起重機輕設計技術與應用項目的完成，輕型起重機市場將以更快的速度在起重機械行業開放，電機作為輕型起重機的關鍵配套設施，市場前景廣闊，對其研究具有重要意義。

1 該系列電機采用方形結構，取消了專用座椅。定子芯由方形硅鋼板組成，不僅減輕了電機的重量，而且增加了沖孔的有效使用面積，有效降低了電機中心的高度，提高了電機的功率密度。根據起重機的運行特性，電機低頻(1 ～ 3Hz) 啟動轉矩倍數不小于2 同時，高頻(1000 Hz)過載能力也很好。電機配備編碼器，尾部配備盤式制動器，結構緊湊，旋轉慣性小，確保電機具有良好的加速性能，提高電機制動效率。高效的冷卻方法使電機處于IP55 功率密度較高。電機防護等級可設計為IP23、IP54(55)能滿足不同工況的要求。

2 本系列電機的設計主要包括電磁設計、結構設計和風路設計。電機的結構設計如圖1所示 ～圖3 所示。

1. 軸伸端凸緣端蓋 2. 內風扇 3. 定子線圈端部 4. 定子鐵芯 5. 定子鐵芯外通風孔 6. 定子鐵芯內的通風孔 7. 鑄鋁轉子 8. 鑄鋁轉子通風管 9. 轉子 10. 鑄鋁轉子風葉 11. 非軸伸端蓋 12. 軸流風機 13. 編碼器 14. 制動器圖1 電機結構示意

1. 定子鐵芯外通風孔 2. 定子鐵芯內的通風孔 3. 定子鐵芯安裝止口圖2 定子結構

1. 內風扇 2. 鑄鋁轉子通風孔 3. 鑄鋁轉子風葉圖3 轉子結構

2.1 該系列電機沒有專用座椅，鐵芯為方形，固定轉子沖孔的有效面積顯著增加，定子沖孔為方形結構，提高了原材料的利用率，達到了綠色制造的目的。在方案設計中，可以增加固定轉子槽的面積，提高電機的熱容量。在保證能力指標的前提下，可以進一步降低電機的熱量，大大提高電機的功率密度，在目前的基礎上提高1 ～ 3 中心高等級。由于起重機負載變化大，起重高度范圍大，電機調速范圍寬，高頻恒功率弱磁調節運行穩定。電機能適應頻繁起動和正反轉。起重機構的工作條件要求電機低頻起動轉矩足夠大，高頻時保證足夠的過載能力。電磁設計不僅限于計算一定的工作狀態，電磁參數的選擇應使每個頻率點的扭矩參數滿足額定參數的要求，較大加熱因數滿足溫升限值，較高磁參數滿足材料性能要求，研究轉子槽類型，在變頻電機正常運行區域，高諧波引起的轉子轉差率較大，同時減少轉子基波泄漏，轉子槽型和導條截面采用上寬下窄的形狀，以減少由于皮膚收集效應而增加轉子有效電阻的程度。如果轉子齒磁通密度允許，轉子槽型應盡可能淺而寬，適當增加槽深度，降低槽寬度，對提高轉子諧波泄漏電阻和抑制高諧波有明顯作用。選擇合適的固定轉子槽不僅可以抑制諧波對附加轉矩的影響，還能抑制振動和噪聲的影響，特別是高頻電磁噪聲的影響。合理的電磁方案設計可以在1中實現 Hz 電機啟動轉矩2.0 ～ 2.2 同時，較高頻率點滿足過載倍數要求。

2.2 傳統電機的風路設計一般只有外部通風或內部通風，前者轉子熱難以釋放，電機繞組產生的熱量需要傳遞給定子芯，定子芯傳遞給座椅，座椅表面有冷卻筋，電機一端有風扇或風扇，空氣從風罩尾部進氣口吸入，然后通過風扇或風扇旋轉增加風壓，從風罩口形成氣壓，然后沿著底座散熱器向前流動。冷卻底座表面，由于氣流從風罩口吹出后沒有風罩的導風作用，氣流擴散嚴重，風量和風壓嚴重下降，多次傳輸后冷卻效率相對較低，電機功率密度難以大大提高。后者需要外部冷卻風從電機非軸伸端蓋吹入，從軸伸端蓋吹出，電機的保護等級只能達到IP23.許多工況不能使用。后者需要外部冷卻風從電機非軸伸端蓋吹入，從軸伸端蓋吹出，電機的保護等級只能達到IP23.許多工況不能使用。新型緊湊型起重專用系列電機為方形結構，無專用座椅，設計2 通風結構高效，電機保護等級可達到IP54 甚至IP55。風路1 風道2由內風扇、定子鐵芯內通風孔、鑄鋁轉子葉、鑄鋁轉子通風管組成 由軸流風機和定子鐵芯外通風孔組成。內風扇安裝在轉子風扇，電機尾端安裝軸流風扇，內風扇隨電機轉子旋轉。由于非出線端繞組端位于端蓋內腔，正好利用這個空間安裝內風扇，既能帶走轉子本身的熱量，又能將電機內部的熱量攪拌均勻，通過定子鐵芯和端蓋快速分布。出線端繞組端相對較長，只能容納鑄鋁轉子本身的葉片和編碼器，凸端蓋和端蓋為凹腔，只包含部分繞組端，使電機結構非常緊湊，電機無座椅，定子芯長度可根據電機功率調整，使不同功率的電機能保證結構的緊湊性。風路1 轉子內的熱量可以均勻快速地傳遞到定子鐵芯和兩端蓋上，而定子鐵芯的導熱率很高，熱量可以快速通過風道2 散發。風路1 和風路2 良好的循環可以有效地降低電機的溫升。

2.3 結構設計變頻電機具有廣泛的調試性能，許多應用需要準確定位，因此電機需要配備編碼器來檢測電機速度、位置角度等信號，因為電機尾部需要安裝制動器、風扇，如果編碼器安裝在制動器后面會使電機長，不僅會導致電機高速旋轉振動，而且會影響起重機構的協調。因此, 電機內部需要安裝編碼器，以縮短電機長度。如圖4 如上所示，電機定子由定子沖片組成，沒有座椅，因此電機主接線盒必須安裝在端蓋上，這決定了端蓋需要一個相對較長的空腔，一個是因為線圈端在端蓋空腔內； 二是電機主接線盒需要較長的安裝平面。如果編碼器安裝在制動器后面，則需要編碼器支撐裝置來固定。編碼器將大大增加電機的軸向長度，制動器屬于需要定期維護的設備。編碼器的組裝會影響制動器的維護。因此，軸承由孔用彈性擋圈固定， 編碼器轉子安裝在電機轉子上，通過編碼器轉子鎖定螺釘固定編碼器轉子，編碼器定子通過編碼器彈片安裝在端蓋軸承室鋼筋上，通過編碼器彈片安裝螺釘固定，編碼器導線直接引入電機主接線盒，安裝結構不增加任何額外的支撐結構，端蓋的空腔位置剛剛使用，沒有增加電機的軸向尺寸，使電機的結構更加緊湊。

1. 定子 2. 轉子 3. 端蓋 4. 主接線盒 5. 編碼器引線 6. 編碼器定子 7. 空腔 8. 制動器 9. 軸承 10. 擋圈 11. 加強筋 12. 安裝螺釘 13. 編碼器彈片 14. 編碼器轉子 15. 鎖緊螺釘圖4 編碼器安裝在電機內部

3 本文闡述了緊湊型起重專用電機的電磁和結構設計。通過合理的電磁設計，可以保證電機的低頻扭矩不低于2 倍，滿足起重機的使用條件。在現有變頻電機的基礎上，通過優化的通風設計提高了電機的功率密度1 ～ 3個等級。如160 中心高的4 目前較大的極電機標準是15 kW，新的緊湊型電機功率可達55 kW，整機質量約350 kg，目前同功率等級的電機質量為490kg。隨著電機質量和體積的降低，減速器的質量和體積也大大降低了機構質量，降低了起重機的極限尺寸，提高了起重機使用現場的利用率，實現了起重機的輕量化設計，對節能降耗、促進綠色低碳經濟的發展具有重要意義。