紧凑型起重专用变频电机设计

中国长江航运集团电机厂杨 武汉 430074

摘 为适应起重机的轻量化设计，开发了一种紧凑型起重专用变频电机。本系列电机的电磁和风路设计， 指出设计要点。该设计可以大大降低机构质量，缩小起重机的极限尺寸，提高起重机使用场地的利用率，实现起重机的轻量化设计，对节能降耗、促进绿色低碳经济发展具有重要意义。

关键词:变频电机；紧凑型；起重专用；

中图分类号： TM302 文献标识码：A 1001-0785(2018)07-008-04

0 起重机作为一种重要的材料搬运设备，在国民经济发展中发挥着不可或缺的作用，广泛应用于车间、货场等领域。随着科学技术的发展， 节能需求和激烈的市场竞争迅速向节能经济发展。

加入WTO 之后，越来越多的外国品牌起重机进入中国市场，其产品外观精致、美观、重量轻，起重机本身高度低，可有效降低工厂高度，对传统起重机市场产生巨大影响。大多数传统的起重机构由电机、制动器、减速器、卷筒、滑轮等组成，体积大，质量高。欧洲起重机一般采用三支支撑安装形式，电机直接安装在减速器外壳上，结构紧凑，重量轻，电机和减速器悬挂安装，要求电机功率密度尽可能大，电机旋转惯性尽可能小，确保电机频繁启动、点、正反转加速性能好，可减少点对减速器和机构的影响。目前，绕线转子电机、普通变频电机等传统起重电机都不能满足这一要求，因此， 设计高功率密度紧凑型起重专用变频电机。随着十二五国家科技支持项目——通用桥式起重机轻设计技术与应用项目的完成，轻型起重机市场将以更快的速度在起重机械行业开放，电机作为轻型起重机的关键配套设施，市场前景广阔，对其研究具有重要意义。

1 该系列电机采用方形结构，取消了专用座椅。定子芯由方形硅钢板组成，不仅减轻了电机的重量，而且增加了冲孔的有效使用面积，有效降低了电机中心的高度，提高了电机的功率密度。根据起重机的运行特性，电机低频(1 ～ 3Hz) 启动转矩倍数不小于2 同时，高频(1000 Hz)过载能力也很好。电机配备编码器，尾部配备盘式制动器，结构紧凑，旋转惯性小，确保电机具有良好的加速性能，提高电机制动效率。高效的冷却方法使电机处于IP55 功率密度较高。电机防护等级可设计为IP23、IP54(55)能满足不同工况的要求。

2 本系列电机的设计主要包括电磁设计、结构设计和风路设计。电机的结构设计如图1所示 ～图3 所示。

1. 轴伸端凸缘端盖 2. 内风扇 3. 定子线圈端部 4. 定子铁芯 5. 定子铁芯外通风孔 6. 定子铁芯内的通风孔 7. 铸铝转子 8. 铸铝转子通风管 9. 转子 10. 铸铝转子风叶 11. 非轴伸端盖 12. 轴流风机 13. 编码器 14. 制动器图1 电机结构示意

1. 定子铁芯外通风孔 2. 定子铁芯内的通风孔 3. 定子铁芯安装止口图2 定子结构

1. 内风扇 2. 铸铝转子通风孔 3. 铸铝转子风叶图3 转子结构

2.1 该系列电机没有专用座椅，铁芯为方形，固定转子冲孔的有效面积显著增加，定子冲孔为方形结构，提高了原材料的利用率，达到了绿色制造的目的。在方案设计中，可以增加固定转子槽的面积，提高电机的热容量。在保证能力指标的前提下，可以进一步降低电机的热量，大大提高电机的功率密度，在目前的基础上提高1 ～ 3 中心高等级。由于起重机负载变化大，起重高度范围大，电机调速范围宽，高频恒功率弱磁调节运行稳定。电机能适应频繁起动和正反转。起重机构的工作条件要求电机低频起动转矩足够大，高频时保证足够的过载能力。电磁设计不仅限于计算一定的工作状态，电磁参数的选择应使每个频率点的扭矩参数满足额定参数的要求，较大加热因数满足温升限值，较高磁参数满足材料性能要求，研究转子槽类型，在变频电机正常运行区域，高谐波引起的转子转差率较大，同时减少转子基波泄漏，转子槽型和导条截面采用上宽下窄的形状，以减少由于皮肤收集效应而增加转子有效电阻的程度。如果转子齿磁通密度允许，转子槽型应尽可能浅而宽，适当增加槽深度，降低槽宽度，对提高转子谐波泄漏电阻和抑制高谐波有明显作用。选择合适的固定转子槽不仅可以抑制谐波对附加转矩的影响，还能抑制振动和噪声的影响，特别是高频电磁噪声的影响。合理的电磁方案设计可以在1中实现 Hz 电机启动转矩2.0 ～ 2.2 同时，较高频率点满足过载倍数要求。

2.2 传统电机的风路设计一般只有外部通风或内部通风，前者转子热难以释放，电机绕组产生的热量需要传递给定子芯，定子芯传递给座椅，座椅表面有冷却筋，电机一端有风扇或风扇，空气从风罩尾部进气口吸入，然后通过风扇或风扇旋转增加风压，从风罩口形成气压，然后沿着底座散热器向前流动。冷却底座表面，由于气流从风罩口吹出后没有风罩的导风作用，气流扩散严重，风量和风压严重下降，多次传输后冷却效率相对较低，电机功率密度难以大大提高。后者需要外部冷却风从电机非轴伸端盖吹入，从轴伸端盖吹出，电机的保护等级只能达到IP23.许多工况不能使用。后者需要外部冷却风从电机非轴伸端盖吹入，从轴伸端盖吹出，电机的保护等级只能达到IP23.许多工况不能使用。新型紧凑型起重专用系列电机为方形结构，无专用座椅，设计2 通风结构高效，电机保护等级可达到IP54 甚至IP55。风路1 风道2由内风扇、定子铁芯内通风孔、铸铝转子叶、铸铝转子通风管组成 由轴流风机和定子铁芯外通风孔组成。内风扇安装在转子风扇，电机尾端安装轴流风扇，内风扇随电机转子旋转。由于非出线端绕组端位于端盖内腔，正好利用这个空间安装内风扇，既能带走转子本身的热量，又能将电机内部的热量搅拌均匀，通过定子铁芯和端盖快速分布。出线端绕组端相对较长，只能容纳铸铝转子本身的叶片和编码器，凸端盖和端盖为凹腔，只包含部分绕组端，使电机结构非常紧凑，电机无座椅，定子芯长度可根据电机功率调整，使不同功率的电机能保证结构的紧凑性。风路1 转子内的热量可以均匀快速地传递到定子铁芯和两端盖上，而定子铁芯的导热率很高，热量可以快速通过风道2 散发。风路1 和风路2 良好的循环可以有效地降低电机的温升。

2.3 结构设计变频电机具有广泛的调试性能，许多应用需要准确定位，因此电机需要配备编码器来检测电机速度、位置角度等信号，因为电机尾部需要安装制动器、风扇，如果编码器安装在制动器后面会使电机长，不仅会导致电机高速旋转振动，而且会影响起重机构的协调。因此, 电机内部需要安装编码器，以缩短电机长度。如图4 如上所示，电机定子由定子冲片组成，没有座椅，因此电机主接线盒必须安装在端盖上，这决定了端盖需要一个相对较长的空腔，一个是因为线圈端在端盖空腔内； 二是电机主接线盒需要较长的安装平面。如果编码器安装在制动器后面，则需要编码器支撑装置来固定。编码器将大大增加电机的轴向长度，制动器属于需要定期维护的设备。编码器的组装会影响制动器的维护。因此，轴承由孔用弹性挡圈固定， 编码器转子安装在电机转子上，通过编码器转子锁定螺钉固定编码器转子，编码器定子通过编码器弹片安装在端盖轴承室钢筋上，通过编码器弹片安装螺钉固定，编码器导线直接引入电机主接线盒，安装结构不增加任何额外的支撑结构，端盖的空腔位置刚刚使用，没有增加电机的轴向尺寸，使电机的结构更加紧凑。

1. 定子 2. 转子 3. 端盖 4. 主接线盒 5. 编码器引线 6. 编码器定子 7. 空腔 8. 制动器 9. 轴承 10. 挡圈 11. 加强筋 12. 安装螺钉 13. 编码器弹片 14. 编码器转子 15. 锁紧螺钉图4 编码器安装在电机内部

3 本文阐述了紧凑型起重专用电机的电磁和结构设计。通过合理的电磁设计，可以保证电机的低频扭矩不低于2 倍，满足起重机的使用条件。在现有变频电机的基础上，通过优化的通风设计提高了电机的功率密度1 ～ 3个等级。如160 中心高的4 目前较大的极电机标准是15 kW，新的紧凑型电机功率可达55 kW，整机质量约350 kg，目前同功率等级的电机质量为490kg。随着电机质量和体积的降低，减速器的质量和体积也大大降低了机构质量，降低了起重机的极限尺寸，提高了起重机使用现场的利用率，实现了起重机的轻量化设计，对节能降耗、促进绿色低碳经济的发展具有重要意义。