湯 偉 王紅星 關進軍

1長航集團武漢電動機有限公司 武漢 430022 2中聯(lián)重科建筑起重機械有限責任公司 長沙 415106

0 引言

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

起升機構是塔式起重機重要的傳動機構之一，要求重載低速、輕載高速、慢就位、調速范圍大。為了提升塔式起重機起升機構的技術水平和檔次，對于主起升電動機而言必須擁有較寬的調速范圍、較快的系統(tǒng)響應能力。

某大型塔式起重機主起升變頻電動機設計要求為：軸高280 mm、額定功率200 kW、防護等級IP55、基頻轉速700 r/min、最高速度2 900 r/min(調速比達到4倍以上)、基頻100%負荷連續(xù)運行效率大于94%、溫升不大于85 K，低速區(qū)140%額定載荷可正常起落載荷，無溜鉤下滑現(xiàn)象。

塔式起重變頻電動機設計既要兼顧低速磁路過飽問題，又要克服高速弱磁轉矩能力不足的問題。同時電動機的調速比越大，電動機體積隨之越大，如何降低電動機自身轉動慣量，實現(xiàn)機構快速響應能力，是設計中需重點考慮的問題。

1 電磁設計

塔式起重變頻電動機的工作頻率并非固定不變，電磁設計時不是僅考慮電動機在某一頻率點的運行性能，而是要保證電動機在較寬的頻率段范圍內都具有良好的運行性能。由于電動機可通過變頻器實現(xiàn)變頻變壓軟啟動，具有良好的起動性能，在設計中不存在起動性能指標對設計的限制及對其他指標的約束，故可將設計重心放在基速工作點和最高速工作點。

對變頻電動機有

式中：C為常數(shù)，f1、f2、TN1、TN2、U1、U2、K1、K2分別為基頻（下標1）及高頻（下標2）時的頻率、額定轉矩、電壓、過載倍數(shù)。

由式（1）、式（2）可得

由于電動機在恒功率調速時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，即恒功率段電動機的過載倍數(shù)隨著頻率作反比變化。因此，在電磁設計時如果滿足了最高速時的過載倍數(shù)，往往會造成基速時過載倍數(shù)裕度過大，電動機體積需要加大，造成電動機在實際設計時非常困難。

該項目電動機的恒功率轉速范圍為700～2 900 r/min，速比(高速/基速)＝2 900/700＝4.14。如電動機過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，則基速時電動機的過載倍數(shù)需達到6.2倍以上，在不改變電動機體積的情況下，電動機在基速及恒轉矩段磁路將出現(xiàn)過飽和現(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機基速下有一定保留，而在恒功率段電動機升速過程中使電壓按一定規(guī)律升高到合適的電壓。結合項目電動機要求，需對關鍵參數(shù)進行合理選取。

1.1 定轉子槽數(shù)選擇和槽配合

定轉子槽配合不當，將有可能導致附加損耗、附加轉矩、電磁振動與噪聲增加，使電動機效率降低、溫升加大，嚴重時出現(xiàn)啟動困難。槽配合選擇往往采用成熟的推薦值，異步電動機采用少槽-近槽配合，即轉子槽數(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)生電磁振動和噪聲，也可能會產(chǎn)生同步附加轉矩。根據(jù)經(jīng)驗，轉定子槽數(shù)比在0.8～1時轉子空載導條損耗最低，在1.1～1.2區(qū)間上升較快，超過1.2后急劇上升。

1.2 電動機繞組的選擇

繞組是電動機的核心部分，電動機進行電磁轉換都與繞組相關。相繞組磁動勢波的傅里葉級數(shù)展開式為

相繞組磁動勢中除了基波外，還含有3、5、7…奇次空間諧波。由于諧波磁動勢的存在，交流電動機繞組中會感應出諧波電動勢，產(chǎn)生諧波電流，從而引起附加損耗、振動、噪聲，降低電動機效率。因此，在電動機設計時應研究低諧波含量磁勢繞組，以提高電動機運行效率。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曲線，適當?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。

對三相磁勢諧波進行分析，則有

式中：p為設電動機極對數(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，諧波磁勢得到削弱。而同心式繞組各線圈中心線重合，每個線圈所產(chǎn)生磁動勢的軸線沒有位移，即同心式繞組的分布系數(shù)kqν=1，也就是說計算同心式繞組的繞組系數(shù)就是計算其短距系數(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)需要調整各線圈的匝數(shù)來降低高次諧波磁勢的幅值。

繞組采用短距雙層同心式(見圖1)，定子槽Z=60，極對數(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 低諧波繞組磁勢波形圖

取A相電流達到最大值即IA=Im瞬間進行分析，此時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，可得各個線圈的匝比為

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

實際線圈繞制時，每組線圈不可能為小數(shù)，其取值應為整數(shù)，通過適當調整每槽匝數(shù)，分別對常規(guī)雙層疊繞組和低諧波雙層同心繞組進行對比分析（為了方便對比，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)可說明雙層同心繞組的高次諧波磁勢得到了有效的削弱。

表1 諧波繞組系數(shù)對比

由表2可以看出，雙層同心繞組雜撒損耗下降，電動機效率得到提升，電動機起動和過載能力得到加強，同時用銅量節(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，還能使電動機主要性能得到提升。

表2 設計參數(shù)對比

1.3 電磁、電流密度、熱負荷的選取

項目電動機要求有較高的效率等級，電動機采用50W350低損耗的高牌號冷軋硅鋼片，可大幅度降低鐵損，提高功率密度，縮小電動機整體體積。由于變頻器輸出波形為非正弦波，考慮高次諧波會加深磁路飽和，另外考慮在低頻時為了提高輸出轉矩而適當提高變頻器的輸出電壓，故主磁路應設計為不飽和狀態(tài)。建議基速設計時齒磁通密度（以下簡稱磁密）不宜超過1.7 T，氣隙磁密不宜超過0.75 T，磁路法計算電磁參數(shù)如表3所示。電動機為封閉結構，故采用強迫通風方案，經(jīng)計算在高低轉速下定轉子電流密度（以下簡稱電密）值如表4所示。

表3 磁密與熱負荷

表4 電密

電磁參數(shù)的選取應使每個頻率點的轉矩滿足額定參數(shù)要求，低頻起動點的起動參數(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，最高頻率點滿足轉矩倍數(shù)要求，額定點的效率、功率因數(shù)滿足額定要求。

2 結構設計

根據(jù)項目要求電動機輸出額定扭矩達到了2 729 N·m，若仍采用傳統(tǒng)結構形式，電動機軸高需做到400 mm。本文采取方形硅鋼片疊壓鐵芯來作為電動機骨架，用硅鋼片代替原機座的空間，一方面增加了硅鋼片的有效使用面積(導磁面積增加)，另一方面鐵芯在促進電動機散熱作用的同時還可保證電動機發(fā)熱部分的有效冷卻，進一步提高了電動機單體功率密度，可有效降低電動機中心高和轉動慣量，提高控制系統(tǒng)的響應時間。具體結構如圖2所示。

圖2 電動機結構圖

圖2所示鐵芯與端蓋通過止口配合連接，止口內的封閉腔體把電動機繞組、轉子、軸承很好地保護其中，電動機整體防護等級可以達到IP55。止口外的腔體可有效地形成通風道，通過離心風機產(chǎn)生風壓，將外部冷空氣壓入鐵芯風道，從而有效地帶走電動機內部傳導出來的熱量，大幅度提高電動機功率密度，具體風路如圖3所示。另外，由于4極電動機線圈跨距大，定子線圈端部厚而長，不利于線圈端部散熱，可利用鑄鋁轉子在其端環(huán)上鑄造葉片，轉子轉動時鑄鋁葉片攪動空氣，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 電動機冷卻風路

圖4 線圈端部結構示意圖

傳統(tǒng)的結構形式，風路是沿著機座散熱片軸向流動，冷卻風機導流罩受機座結構形式影響，延伸路徑有限，導致氣流出風罩導流口后擴散嚴重，冷卻風量和風壓下降比較厲害。另外，鐵芯與機座接觸面積有限，即熱傳導損能力差，電動機內部熱量難以充分傳遞出來，導致冷卻效率低，電動機功率密度難以提升。

塔式起重變頻電動機調頻范圍廣，對其振動和噪聲要求較高。電動機各頻段振動及機械、電磁噪聲的控制不僅要有好的電磁方案設計，制造過程中的工藝手段保障也很關鍵。由于電動機整體骨架由方形硅鋼片疊壓成型，鐵芯疊壓質量的好壞不僅影響電動機性能，而且對整體結構尺寸有影響。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導致鐵芯端面平行度超差，落料片在每30 mm高度左右旋轉90°進行沖槽疊壓，使得鐵芯4個面的毛刺均勻，提高疊壓系數(shù)。隨著壓裝壓力的增加，沖片的內應力相應增加。壓強在30 MN/m2以下時，鐵芯所產(chǎn)生的內應力實際上處于彈性變形范圍，鐵芯的內應力使鐵芯的磁性能惡化，但在壓力撤銷后，磁性能又會改善。當壓強為30 MN/m2時，內應力引起的單位損耗僅增加5%，壓裝壓力增高時，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，其后果遠遠超過由于彈性應力所引起的磁性能惡化。所以，壓裝時壓力不能過度增大，需在合理范圍內。

3 試驗分析

塔式起重變頻電動機試驗主要關注2個問題，基速工況下溫升和高速工況下的過載能力。試驗值與設計值對比如表5所示。

表5 主要性能參數(shù)

塔式起重機用200 kW大功率緊湊型變頻電動機，基速時設計熱負荷值為1 712 A2/cm·mm2，通過溫升試驗檢測，在基頻100%負載下連續(xù)運行，定子繞組溫升值穩(wěn)定在82 K，效率94.36%，最高速時過載倍數(shù)為1.64，電動機整體性能符合項目要求。

4 結語

本文通過對塔式起重機專用起升變頻電動機工作特點，闡述了如何設計寬調速比高緊湊型的變頻電動機，通過合理的電磁設計，可保證電動機具有較寬廣的調速范圍，更好地滿足塔式起重機使用工況。通過優(yōu)化結構設計電動機功率密度在傳統(tǒng)變頻電動機基礎上提高了3個等級，電動機轉動慣量是常規(guī)電動機的60%，使得起升機構具備較快的系統(tǒng)響應能力，主機安全性能得到進一步的提升。