塔式起重機(jī)用大功率緊湊型變頻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

湯 偉 王紅星 關(guān)進(jìn)軍

1長(zhǎng)航集團(tuán)武漢電動(dòng)機(jī)有限公司 武漢 430022 2中聯(lián)重科建筑起重機(jī)械有限責(zé)任公司 長(zhǎng)沙 415106

0 引言

塔式起重機(jī)是城市建設(shè)中利用較頻繁的設(shè)備之一，在高層建筑施工中其幅度利用率比其他類型的起重機(jī)高，是工業(yè)與民用建筑中完成預(yù)制構(gòu)件和其他建筑材料、工具等吊裝工作的主要設(shè)備。隨著我國(guó)建筑業(yè)的不斷發(fā)展，建筑施工機(jī)械化水平不斷提高，對(duì)塔式起重機(jī)的制造質(zhì)量和整機(jī)技術(shù)水平的要求也越來(lái)越高，塔式起重機(jī)除滿足安全、可靠的基本性能外，越來(lái)越趨向于輕量化、智能化及高效節(jié)能。

起升機(jī)構(gòu)是塔式起重機(jī)重要的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之一，要求重載低速、輕載高速、慢就位、調(diào)速范圍大。為了提升塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的技術(shù)水平和檔次，對(duì)于主起升電動(dòng)機(jī)而言必須擁有較寬的調(diào)速范圍、較快的系統(tǒng)響應(yīng)能力。

某大型塔式起重機(jī)主起升變頻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求為：軸高280 mm、額定功率200 kW、防護(hù)等級(jí)IP55、基頻轉(zhuǎn)速700 r/min、最高速度2 900 r/min(調(diào)速比達(dá)到4倍以上)、基頻100%負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行效率大于94%、溫升不大于85 K，低速區(qū)140%額定載荷可正常起落載荷，無(wú)溜鉤下滑現(xiàn)象。

塔式起重變頻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)既要兼顧低速磁路過(guò)飽問(wèn)題，又要克服高速弱磁轉(zhuǎn)矩能力不足的問(wèn)題。同時(shí)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速比越大，電動(dòng)機(jī)體積隨之越大，如何降低電動(dòng)機(jī)自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)快速響應(yīng)能力，是設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

1 電磁設(shè)計(jì)

塔式起重變頻電動(dòng)機(jī)的工作頻率并非固定不變，電磁設(shè)計(jì)時(shí)不是僅考慮電動(dòng)機(jī)在某一頻率點(diǎn)的運(yùn)行性能，而是要保證電動(dòng)機(jī)在較寬的頻率段范圍內(nèi)都具有良好的運(yùn)行性能。由于電動(dòng)機(jī)可通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)變頻變壓軟啟動(dòng)，具有良好的起動(dòng)性能，在設(shè)計(jì)中不存在起動(dòng)性能指標(biāo)對(duì)設(shè)計(jì)的限制及對(duì)其他指標(biāo)的約束，故可將設(shè)計(jì)重心放在基速工作點(diǎn)和最高速工作點(diǎn)。

對(duì)變頻電動(dòng)機(jī)有

式中：C為常數(shù)，f1、f2、TN1、TN2、U1、U2、K1、K2分別為基頻（下標(biāo)1）及高頻（下標(biāo)2）時(shí)的頻率、額定轉(zhuǎn)矩、電壓、過(guò)載倍數(shù)。

由式（1）、式（2）可得

由于電動(dòng)機(jī)在恒功率調(diào)速時(shí)變頻前后電磁功率相等，即

若維持主磁通不變，即令U1=U2，則K2/K1=f1/f2，即恒功率段電動(dòng)機(jī)的過(guò)載倍數(shù)隨著頻率作反比變化。因此，在電磁設(shè)計(jì)時(shí)如果滿足了最高速時(shí)的過(guò)載倍數(shù)，往往會(huì)造成基速時(shí)過(guò)載倍數(shù)裕度過(guò)大，電動(dòng)機(jī)體積需要加大，造成電動(dòng)機(jī)在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)非常困難。

該項(xiàng)目電動(dòng)機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍為700～2 900 r/min，速比(高速/基速)＝2 900/700＝4.14。如電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力在全波段保持1.5倍，則有

由此可知，若高速維持電壓不變，則基速時(shí)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載倍數(shù)需達(dá)到6.2倍以上，在不改變電動(dòng)機(jī)體積的情況下，電動(dòng)機(jī)在基速及恒轉(zhuǎn)矩段磁路將出現(xiàn)過(guò)飽和現(xiàn)象。因此，解決這種現(xiàn)象最好的辦法是使變頻輸入電壓在電動(dòng)機(jī)基速下有一定保留，而在恒功率段電動(dòng)機(jī)升速過(guò)程中使電壓按一定規(guī)律升高到合適的電壓。結(jié)合項(xiàng)目電動(dòng)機(jī)要求，需對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行合理選取。

1.1 定轉(zhuǎn)子槽數(shù)選擇和槽配合

定轉(zhuǎn)子槽配合不當(dāng)，將有可能導(dǎo)致附加損耗、附加轉(zhuǎn)矩、電磁振動(dòng)與噪聲增加，使電動(dòng)機(jī)效率降低、溫升加大，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)啟動(dòng)困難。槽配合選擇往往采用成熟的推薦值，異步電動(dòng)機(jī)采用少槽-近槽配合，即轉(zhuǎn)子槽數(shù)接近且少于定子槽數(shù)，可減少齒諧波磁通在鐵心齒中產(chǎn)生的脈振損耗，對(duì)降低雜耗和溫升比較有利。少槽-近槽配合容易產(chǎn)生電磁振動(dòng)和噪聲，也可能會(huì)產(chǎn)生同步附加轉(zhuǎn)矩。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)定子槽數(shù)比在0.8～1時(shí)轉(zhuǎn)子空載導(dǎo)條損耗最低，在1.1～1.2區(qū)間上升較快，超過(guò)1.2后急劇上升。

1.2 電動(dòng)機(jī)繞組的選擇

繞組是電動(dòng)機(jī)的核心部分，電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)換都與繞組相關(guān)。相繞組磁動(dòng)勢(shì)波的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式為

相繞組磁動(dòng)勢(shì)中除了基波外，還含有3、5、7…奇次空間諧波。由于諧波磁動(dòng)勢(shì)的存在，交流電動(dòng)機(jī)繞組中會(huì)感應(yīng)出諧波電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生諧波電流，從而引起附加損耗、振動(dòng)、噪聲，降低電動(dòng)機(jī)效率。因此，在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)研究低諧波含量磁勢(shì)繞組，以提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率。雙層同心式繞組是一種諧波含量低繞組方式，為了得到近似于正弦形的磁勢(shì)曲線，適當(dāng)?shù)靥幚砻坎劬€圈匝數(shù)，按正弦規(guī)律分布槽電流，可大幅度削弱3、5、7、…次高次諧波。

對(duì)三相磁勢(shì)諧波進(jìn)行分析，則有

式中：p為設(shè)電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；z為定子槽數(shù)；I為每相電流有效值；q為極相槽數(shù)；yi為各線圈節(jié)距，Ni為匝數(shù)，i＝（1，…，q-1，q）；N為每相繞組串聯(lián)總匝數(shù)；τ為極距；Fν為ν次諧波磁勢(shì)幅值；kyν為繞組ν次諧波短距系數(shù)；kqν為繞組ν次分布系數(shù)；kNν為繞組ν次諧波繞組系數(shù)。

從式(10)可以看出，諧波繞組系數(shù)變小，諧波磁勢(shì)得到削弱。而同心式繞組各線圈中心線重合，每個(gè)線圈所產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)的軸線沒(méi)有位移，即同心式繞組的分布系數(shù)kqν=1，也就是說(shuō)計(jì)算同心式繞組的繞組系數(shù)就是計(jì)算其短距系數(shù)，則有

由分析可知，三相雙層同心式繞組的磁勢(shì)幅值及其繞組系數(shù)均為各線圈匝數(shù)的函數(shù)，故可根據(jù)需要調(diào)整各線圈的匝數(shù)來(lái)降低高次諧波磁勢(shì)的幅值。

繞組采用短距雙層同心式(見(jiàn)圖1)，定子槽Z=60，極對(duì)數(shù)p=2，極相槽數(shù)q=5，電角度α1=12°，繞組各相線圈及槽電流具體分布如圖1a所示。其中A1、A2、A3、A4、A5分別為A相中從大到小的同心線圈，同理得B、C相。

圖1 低諧波繞組磁勢(shì)波形圖

取A相電流達(dá)到最大值即IA=Im瞬間進(jìn)行分析，此時(shí)IB＝IC＝-1/2IA＝-1/2Im，定子電流層按正弦曲線分布如圖1b所示。槽電流沿圓周正弦分布規(guī)律，則有

第 1 槽N1·IA-N5·IC=Im·sin84°

第 2 槽N2·IA-N4·IC=Im·sin72°

第 3 槽N3·IA-N3·IC=Im·sin60°

第 4 槽N4·IA-N2·IC=Im·sin48°

第 5 槽N5·IA-N1·IC=Im·sin36°

第 6 槽 -N1·IC-N5·IB=Im·sin24°

第 7 槽 -N2·IC-N4·IB=Im·sin12°

第 8 槽 -N3·IC-N3·IB=0

解上述方程組，可得各個(gè)線圈的匝比為

N1:N1:N1:N1:N1=7.74 : 6.41 : 4.78 : 2.96 : 1

實(shí)際線圈繞制時(shí)，每組線圈不可能為小數(shù)，其取值應(yīng)為整數(shù)，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整每槽匝數(shù)，分別對(duì)常規(guī)雙層疊繞組和低諧波雙層同心繞組進(jìn)行對(duì)比分析（為了方便對(duì)比，2種方案繞組總匝數(shù)取值相同）。由表1可以看出，雙層同心繞組高次諧波繞組系數(shù)明顯低于雙層疊繞組，由式(10)可說(shuō)明雙層同心繞組的高次諧波磁勢(shì)得到了有效的削弱。

表1 諧波繞組系數(shù)對(duì)比

由表2可以看出，雙層同心繞組雜撒損耗下降，電動(dòng)機(jī)效率得到提升，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和過(guò)載能力得到加強(qiáng)，同時(shí)用銅量節(jié)省了約3 kg。因此，采用雙層同心繞組方案不僅可節(jié)省材料，還能使電動(dòng)機(jī)主要性能得到提升。

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

1.3 電磁、電流密度、熱負(fù)荷的選取

項(xiàng)目電動(dòng)機(jī)要求有較高的效率等級(jí)，電動(dòng)機(jī)采用50W350低損耗的高牌號(hào)冷軋硅鋼片，可大幅度降低鐵損，提高功率密度，縮小電動(dòng)機(jī)整體體積。由于變頻器輸出波形為非正弦波，考慮高次諧波會(huì)加深磁路飽和，另外考慮在低頻時(shí)為了提高輸出轉(zhuǎn)矩而適當(dāng)提高變頻器的輸出電壓，故主磁路應(yīng)設(shè)計(jì)為不飽和狀態(tài)。建議基速設(shè)計(jì)時(shí)齒磁通密度（以下簡(jiǎn)稱磁密）不宜超過(guò)1.7 T，氣隙磁密不宜超過(guò)0.75 T，磁路法計(jì)算電磁參數(shù)如表3所示。電動(dòng)機(jī)為封閉結(jié)構(gòu)，故采用強(qiáng)迫通風(fēng)方案，經(jīng)計(jì)算在高低轉(zhuǎn)速下定轉(zhuǎn)子電流密度（以下簡(jiǎn)稱電密）值如表4所示。

表3 磁密與熱負(fù)荷

表4 電密

電磁參數(shù)的選取應(yīng)使每個(gè)頻率點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩滿足額定參數(shù)要求，低頻起動(dòng)點(diǎn)的起動(dòng)參數(shù)，滿足變頻電源要求，最大發(fā)熱因數(shù)滿足溫升限值，最高磁參數(shù)滿足材料性能要求，最高頻率點(diǎn)滿足轉(zhuǎn)矩倍數(shù)要求，額定點(diǎn)的效率、功率因數(shù)滿足額定要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目要求電動(dòng)機(jī)輸出額定扭矩達(dá)到了2 729 N·m，若仍采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，電動(dòng)機(jī)軸高需做到400 mm。本文采取方形硅鋼片疊壓鐵芯來(lái)作為電動(dòng)機(jī)骨架，用硅鋼片代替原機(jī)座的空間，一方面增加了硅鋼片的有效使用面積(導(dǎo)磁面積增加)，另一方面鐵芯在促進(jìn)電動(dòng)機(jī)散熱作用的同時(shí)還可保證電動(dòng)機(jī)發(fā)熱部分的有效冷卻，進(jìn)一步提高了電動(dòng)機(jī)單體功率密度，可有效降低電動(dòng)機(jī)中心高和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2所示鐵芯與端蓋通過(guò)止口配合連接，止口內(nèi)的封閉腔體把電動(dòng)機(jī)繞組、轉(zhuǎn)子、軸承很好地保護(hù)其中，電動(dòng)機(jī)整體防護(hù)等級(jí)可以達(dá)到IP55。止口外的腔體可有效地形成通風(fēng)道，通過(guò)離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生風(fēng)壓，將外部冷空氣壓入鐵芯風(fēng)道，從而有效地帶走電動(dòng)機(jī)內(nèi)部傳導(dǎo)出來(lái)的熱量，大幅度提高電動(dòng)機(jī)功率密度，具體風(fēng)路如圖3所示。另外，由于4極電動(dòng)機(jī)線圈跨距大，定子線圈端部厚而長(zhǎng)，不利于線圈端部散熱，可利用鑄鋁轉(zhuǎn)子在其端環(huán)上鑄造葉片，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)鑄鋁葉片攪動(dòng)空氣，加快線圈端部的空氣流通，起到局部散熱效果，具體如圖4所示。

圖3 電動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)路

圖4 線圈端部結(jié)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，風(fēng)路是沿著機(jī)座散熱片軸向流動(dòng)，冷卻風(fēng)機(jī)導(dǎo)流罩受機(jī)座結(jié)構(gòu)形式影響，延伸路徑有限，導(dǎo)致氣流出風(fēng)罩導(dǎo)流口后擴(kuò)散嚴(yán)重，冷卻風(fēng)量和風(fēng)壓下降比較厲害。另外，鐵芯與機(jī)座接觸面積有限，即熱傳導(dǎo)損能力差，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部熱量難以充分傳遞出來(lái)，導(dǎo)致冷卻效率低，電動(dòng)機(jī)功率密度難以提升。

塔式起重變頻電動(dòng)機(jī)調(diào)頻范圍廣，對(duì)其振動(dòng)和噪聲要求較高。電動(dòng)機(jī)各頻段振動(dòng)及機(jī)械、電磁噪聲的控制不僅要有好的電磁方案設(shè)計(jì)，制造過(guò)程中的工藝手段保障也很關(guān)鍵。由于電動(dòng)機(jī)整體骨架由方形硅鋼片疊壓成型，鐵芯疊壓質(zhì)量的好壞不僅影響電動(dòng)機(jī)性能，而且對(duì)整體結(jié)構(gòu)尺寸有影響。沖片外須有直角定位，防止疊壓扭曲，為了避免沖片單邊毛刺的累計(jì)導(dǎo)致鐵芯端面平行度超差，落料片在每30 mm高度左右旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行沖槽疊壓，使得鐵芯4個(gè)面的毛刺均勻，提高疊壓系數(shù)。隨著壓裝壓力的增加，沖片的內(nèi)應(yīng)力相應(yīng)增加。壓強(qiáng)在30 MN/m2以下時(shí)，鐵芯所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力實(shí)際上處于彈性變形范圍，鐵芯的內(nèi)應(yīng)力使鐵芯的磁性能惡化，但在壓力撤銷后，磁性能又會(huì)改善。當(dāng)壓強(qiáng)為30 MN/m2時(shí)，內(nèi)應(yīng)力引起的單位損耗僅增加5%，壓裝壓力增高時(shí)，不但造成磁滯損耗增加，而且隨片間絕緣阻值的降低又將引起渦流損耗的增加，其后果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)由于彈性應(yīng)力所引起的磁性能惡化。所以，壓裝時(shí)壓力不能過(guò)度增大，需在合理范圍內(nèi)。

3 試驗(yàn)分析

塔式起重變頻電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)主要關(guān)注2個(gè)問(wèn)題，基速工況下溫升和高速工況下的過(guò)載能力。試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值對(duì)比如表5所示。

表5 主要性能參數(shù)

塔式起重機(jī)用200 kW大功率緊湊型變頻電動(dòng)機(jī)，基速時(shí)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷值為1 712 A2/cm·mm2，通過(guò)溫升試驗(yàn)檢測(cè)，在基頻100%負(fù)載下連續(xù)運(yùn)行，定子繞組溫升值穩(wěn)定在82 K，效率94.36%，最高速時(shí)過(guò)載倍數(shù)為1.64，電動(dòng)機(jī)整體性能符合項(xiàng)目要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)塔式起重機(jī)專用起升變頻電動(dòng)機(jī)工作特點(diǎn)，闡述了如何設(shè)計(jì)寬調(diào)速比高緊湊型的變頻電動(dòng)機(jī)，通過(guò)合理的電磁設(shè)計(jì)，可保證電動(dòng)機(jī)具有較寬廣的調(diào)速范圍，更好地滿足塔式起重機(jī)使用工況。通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)功率密度在傳統(tǒng)變頻電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上提高了3個(gè)等級(jí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是常規(guī)電動(dòng)機(jī)的60%，使得起升機(jī)構(gòu)具備較快的系統(tǒng)響應(yīng)能力，主機(jī)安全性能得到進(jìn)一步的提升。