蘇文勝，百堅毅，顧旭波，王欣仁，王傳軍

(1.國家橋門式起重機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，江蘇無錫 214174;2.上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063)

0 引言

錐形轉(zhuǎn)子電動機是電動機和制動裝置合二為一的組合體，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，在電動葫蘆等起重裝置中有廣泛應(yīng)用，該電機的特殊點在于存在軸向磁拉力。磁拉力特性曲線是錐形轉(zhuǎn)子電機的重要性能指標(biāo)，軸向磁拉力是進(jìn)行磁拉力特性曲線試驗中必須測定的試驗數(shù)據(jù)之一。因此，磁拉力測試裝置是錐形轉(zhuǎn)子電機生產(chǎn)制造企業(yè)、特種設(shè)備檢測試驗機構(gòu)等必備的測試設(shè)備。國家橋門式起重機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心由國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局批準(zhǔn)建立，主要開展各類橋式起重機、門式起重機的產(chǎn)品整機質(zhì)量監(jiān)督檢驗和起重機械重要部件檢驗。中心根據(jù)國家法規(guī)和市場需求，研制了制動電機試驗臺，對包括錐形轉(zhuǎn)子電動機在內(nèi)的制動電機和普通電機開展型式試驗和產(chǎn)品質(zhì)量檢驗。對于相關(guān)電機標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的軸向磁拉力測試項目，現(xiàn)有的磁拉力測試方法較為復(fù)雜，操作不便，設(shè)備制造成本較高。為此，國家橋門式超重機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心開發(fā)了錐形轉(zhuǎn)子電機軸向磁拉力測試裝置，并在實際試驗中得以應(yīng)用，取得了滿意的測試結(jié)果。

1 錐形轉(zhuǎn)子電機的工作原理

錐形轉(zhuǎn)子電機與一般籠型異步電機不同的是:定子空腔和轉(zhuǎn)子外形都呈圓錐形，氣隙作圓錐形分布，具有停電自制動的能力，廣泛用于電動葫蘆、卷揚機等起重設(shè)備。圖1為一種較為常見的錐形轉(zhuǎn)子三相異步電機結(jié)構(gòu)圖，該電機的制動裝置由套在電機轉(zhuǎn)子軸上的制動彈簧、制動輪和端蓋上的制動環(huán)組成，轉(zhuǎn)子軸可在一定范圍內(nèi)作軸向竄動。當(dāng)電機定子通電后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，同時產(chǎn)生軸向磁拉力，使轉(zhuǎn)子軸向移動并壓縮制動彈簧，使制動輪的錐形環(huán)與端蓋上的制動環(huán)分開，轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機定子斷電后，軸向磁拉力消失，轉(zhuǎn)子在制動彈簧作用下，連同制動輪一起復(fù)位，與端蓋上的制動環(huán)接觸，產(chǎn)生摩擦力矩，迫使電機停轉(zhuǎn)。軸向磁拉力必須克服電動機在工作狀態(tài)的彈簧壓力，才能正常工作。設(shè)計時，取軸向磁拉力略大于電動機工作時的彈簧壓力[1]。

圖1 典型錐形轉(zhuǎn)子電機結(jié)構(gòu)圖

錐形轉(zhuǎn)子電機通電后，定、轉(zhuǎn)子之間的電磁吸力與電磁鐵對銜鐵吸力的性質(zhì)相同，作用方向垂直于轉(zhuǎn)子表面，如圖2所示，其大小可由麥克斯威爾吸力公式表示:

式中:F——垂直于轉(zhuǎn)子表面的磁吸力;

S——有效磁通的錐形截面積;

μ0——氣隙磁導(dǎo)系數(shù)。

由于錐形轉(zhuǎn)子電機工作氣隙比較小，漏磁通可以忽略。同時，試驗在空載下進(jìn)行，磁路尚未飽和，導(dǎo)磁體的磁阻可忽略，將B=Φ/S代入式(1)中，可得

式中:Φ——氣隙磁通量。

由磁路歐姆定律[2]可知:代入式(2)，可得

式中:NI——作用在定子鐵心上的安匝數(shù);

δ——電機工作氣隙總長度。

于是，習(xí)慣了大手大腳的韓莎，不得不算計著過日子。星巴克沒了，西餐沒了，進(jìn)口水果也不敢買了，甚至買兩斤排骨，杜飛都要心疼半天。

電機空載時，輸入功率減去部分功率的損耗即為定子線圈的銅耗:UI－P耗=I2R，將

式中:U——試驗時對電機所施加的電壓值;

I——試驗時電機的電流值;

P耗——電機空載時的功率損耗值;

R——電機定子繞組的電阻值。

圖2 轉(zhuǎn)子受力結(jié)構(gòu)圖

由圖2可知:

由此可得軸向磁拉力為

式中:F磁——錐形轉(zhuǎn)子電機的軸向磁拉力值;

D1——錐形轉(zhuǎn)子小圓端直徑;

D2——錐形轉(zhuǎn)子大圓端直徑;

α——錐形轉(zhuǎn)子鐵心錐度斜角。

2 軸向磁拉力的測試裝置開發(fā)

對于滾動軸承結(jié)構(gòu)的電動機，轉(zhuǎn)子的軸向位置是固定的，軸向磁拉力作用在軸承上，影響軸承的使用壽命。對于滑動軸承結(jié)構(gòu)的電動機，由于轉(zhuǎn)子軸向位置不固定，就會引起軸向竄動，對被拖動設(shè)備造成沖擊，如果超過允許的竄動量，也會對電機的軸瓦和軸肩造成沖擊甚至損壞[3]。因此，無論從應(yīng)用角度還是設(shè)計角度，了解軸向磁拉力的大小都是十分必要的。對于軸向磁拉力，以往沒有簡便的測試方法，所以JB2102-84《CD1、MD1電動葫蘆用錐形轉(zhuǎn)子電動機》標(biāo)準(zhǔn)未對此作出規(guī)定。隨著測試技術(shù)逐步完善，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求也提高了，部標(biāo)JB/ZQ8004-87《鋼絲繩電動葫蘆產(chǎn)品質(zhì)量分等》中把軸向磁拉力規(guī)定為測試項目。一些最新版本的錐形轉(zhuǎn)子制動電機相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如JB/T 7562—2002《YEZX系列起重用錐形轉(zhuǎn)子制動三相異步電動機技術(shù)條件》和JB/T 10746—2007《YEZ系列建筑起重機械用錐形轉(zhuǎn)子制動三相異步電動機技術(shù)條件》的附錄中規(guī)定了磁拉力特性曲線的測試方法。本文借鑒這些方法，開發(fā)了一種錐形轉(zhuǎn)子電機軸向磁拉力測試裝置。測試裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示，由磁拉力傳遞部件、前后運動部件和壓力傳感器部件構(gòu)成。磁拉力傳遞部件由活絡(luò)頂針、固定套筒、固定塊、活動頂桿、雙頭螺桿、底座組成。前后運動部件有絲桿座、絲桿、手輪組成。壓力傳感器部件由壓力傳感器、單頭螺桿、固定螺母組成。

圖3 磁拉力測試裝置結(jié)構(gòu)圖

具體測試狀態(tài)示意圖如圖4所示。測試前先取出錐形轉(zhuǎn)子電動機中的制動彈簧，以確保電機轉(zhuǎn)子不受彈簧的壓緊力而能夠在軸向位置自由運動。將磁拉力測試裝置和被測試電機安裝在同一測試臺上，磁拉力測試裝置安裝于電機軸伸端，千分表磁性底座固定于測試臺上，頂針與電機軸的另一端接觸并準(zhǔn)確調(diào)零，確保被測試電機軸的中心高度與磁拉力測試裝置的中心高度一致。旋轉(zhuǎn)磁拉力測試裝置的手輪，通過絲桿和活動導(dǎo)柱使活絡(luò)頂針沿軸向方向前后移動?；罱j(luò)頂針與被測試電機的轉(zhuǎn)子軸無摩擦接觸。

圖4 測試狀態(tài)示意圖

起動電機前，先將磁拉力測試裝置中的壓力傳感器與外部二次儀表相連，通過電腦采樣電壓傳感器反饋的電壓值和由二次儀表所傳輸?shù)膲毫χ怠Ｔ陬~定電壓下起動被測試電機，電機轉(zhuǎn)子受軸向磁拉力作用沿軸向移動并正常運轉(zhuǎn)。由于千分表頂針置于電機轉(zhuǎn)子軸的另一端，隨著轉(zhuǎn)子軸的軸向移動而產(chǎn)生刻度的變化。旋轉(zhuǎn)磁拉力測試裝置的手輪，使活絡(luò)頂針頂住電機轉(zhuǎn)子向軸向磁拉力相反方向運動，并觀察千分表的刻度值，當(dāng)刻度值達(dá)到2.5 mm時，停止手輪的旋轉(zhuǎn)。將被測試電機的電壓從1.1～1.3倍的額定電壓逐步降低電壓測量7到9個點，每個點處用電腦軟件記錄下此時的電壓值和磁拉力值。在2.5 mm處測試完畢后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)手輪，使千分表刻度值分別產(chǎn)生 2.0 mm、1.5 mm、1.0 mm、0.5 mm 的距離，重復(fù)前面的步驟測取 2.0 mm、1.5 mm、1.0 mm、0.5 mm各處每個點的電壓值和磁拉力值。測試結(jié)束后通過電腦軟件繪制出磁拉力特性曲線。

3 實際應(yīng)用及分析

將本裝置用于測試某電機廠JPKH10N型1.5 kW錐形轉(zhuǎn)子電動機的軸向磁拉力，得到其軸向磁拉力特性曲線，如圖5所示。該圖表示了電機在不同軸伸處軸向磁拉力與電壓的關(guān)系曲線。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，在相同軸伸處隨著所施電壓值的增加，電機的軸向磁拉力值也有所增加，并且不是線性增加，而是曲線略有上翹。由式(5)分析可知，軸向磁拉力值與所施電壓值成二次方關(guān)系，因此必將是呈上翹狀的曲線。在不同軸伸處對錐形轉(zhuǎn)子施加相同的電壓，隨著軸伸量的減小，剩余軸向磁拉力有所增加。從圖2和式(5)可知，隨著軸伸量的減小，磁力線通過定、轉(zhuǎn)子共同的軸向長度L增加，因此剩余軸向磁拉力會有所增加。由此可見，實際測試結(jié)果與理論分析結(jié)論相吻合，測試結(jié)果令人滿意。

圖5 軸向磁拉力特性曲線

4 結(jié)語

本測試裝置安裝電機和測試裝置方便快捷，采用數(shù)字化測試技術(shù)，能快速測出錐形轉(zhuǎn)子電機的軸向磁拉力，獲取磁拉力特性曲線，較好地解決了錐形轉(zhuǎn)子電機的軸向磁拉力測試問題。通過實際測試和理論分析，驗證了本裝置測試的準(zhǔn)確性和實用性，可以為電機生產(chǎn)企業(yè)和檢驗檢測機構(gòu)提供參考。

[1]劉位炎.錐形轉(zhuǎn)子電動機軸向磁拉力測試方法[J].起重運輸機械，1990(6):22-24.

[2]湯蘊璆，羅應(yīng)立，梁艷萍.電機學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2011.

[3]崔劍，韓繼紅，金永利.淺談異步電動機軸向磁拉力的計算與測量[J].防爆電機，1999(1):12-14.