杨恢明中国长江航运集团电机厂 武汉 430074
摘 要：为了适应起重机的轻量化设计，研制了一种紧凑型起重专用变频电机。阐述了该系列电机的电磁及风路设计, 指出了设计要点。该设计可以大大减轻机构质量，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，对节能减耗、推动绿色低碳经济的发展具有重要意义。
关键词：变频电机；紧凑型；起重专用
0 引言起重机作为重要的物料搬运设备，其在国民经济发展中占有不可或缺的地位，广泛应用于车间、货场等众多领域。随着科学技术的发展, 能源节约的需要及市场竞争的激烈化，其向节能、经济的轻量化方向快速发展。
加入WTO 之后，越来越多的外资品牌起重机进入中国市场，其产品外观精巧、美观，自重轻，起重机自身高度低，可以有效降低厂房的高度，对传统的起重机市场形成了巨大的冲击。传统的起升机构大多采用电动机、制动器、减速器、卷筒、滑轮等组合而成，体积大，质量大。而欧式起重机一般采用三支点支撑的安装形式，电机通过法兰连接的形式直接安装于减速器壳体上，结构紧凑，自重轻，电机与减速器均为悬空安装，这要求电机的功率密度尽可能大，电机的转动惯量尽可能小，保证电机在频繁起动、点动以及正反转时有良好的加速性能，且可以减少点动和起动时对减速器及机构的冲击。目前传统的起重用电机如绕线转子电机和普通变频电机都达不到这个要求，因此, 要设计一种高功率密度的紧凑型起重专用变频电机。随着“十二五”国家科技支撑计划项目——《通用型桥式起重机轻量化设计技术及应用》课题的完成，轻量化起重机市场将以更快的速度在起重机械行业打开，电机作为轻量化起重机关键配套件，市场前景广阔，对其进行研究有重要意义。
1 设计特点该系列电机采用方形结构，取消专用机座，定子铁芯由方形硅钢片组成，既减轻了电机自重又增加了冲片的有效使用面积，可以有效地降低电机中心高，提高电机功率密度。根据起重机的运行特性，电机低频(1 ～ 3Hz) 启动转矩倍数要求不低于2 倍，同时高频(100 Hz)时也有良好的过载能力。电机内部配置编码器、尾部配置盘式制动器，结构紧凑，转动惯量小，保证电机有良好的加速性能，使电机在起制动时的效率得以提高。高效的冷却方式使得电机在IP55 的结构下有较高的功率密度。电机防护等级可设计为IP23、IP54(55)，可以满足不同工况的要求。
2 设计方案及要点该系列电机的设计主要包括电磁设计、结构设计、风路设计。电机的结构设计如图1 ～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. 定子铁芯内通风孔 7. 铸铝转子 8. 铸铝转子通风道 9. 转子 10. 铸铝转子风叶 11. 非轴伸端端盖 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 电磁设计该系列电机没有专用机座，铁芯为方形，定转子冲片的有效面积大幅度增加，定子冲片为方形结构，增加了原材料的利用率，达到了绿色制造的目的。进行方案设计时可以增加定转子槽型的面积，提高电机热容量，在保证力能指标的前提下，进一步减少电机的发热量，电机的功率密度可以大幅度增加，在目前的基础上提高1 ～ 3 个中心高等级。由于起重机负载变化大，起升高度范围大，因此，电机应具有较宽的调速范围，且在高频恒功率弱磁调节时运行稳定。电动机能适应频繁起制动和正反转。起升机构的工作状况，要求电动机低频起动转矩足够大，同时高频时保证足够的过载能力。电磁设计时不仅限于计算某一个工作状态，电磁参数的选取应使每个频率点的转矩参数满足额定参数要求，最大发热因数满足温升限值，最高磁参数满足材料性能要求，对转子槽型进行研究，在变频电机正常运行区，高次谐波引起的转子转差率较大，在减少转子基波漏抗的同时又要适当增加谐波漏抗，转子槽型及导条截面采用上宽下窄的形状，以减少由于集肤效应使转子有效电阻增大的程度，在转子齿磁通密度允许的情况下，尽可能将转子槽型设计得浅而宽，适当增加槽口深度和减少槽口宽度对提高转子谐波漏电抗抑制高次谐波有明显作用，选择合适的定转子槽配合，不仅可以抑制谐波对附加转矩的影响，同时还可以抑制振动、噪声的影响，尤其是抑制高频电磁噪声效果明显。合理的电磁方案设计能够做到在1 Hz 时电机的起动转矩2.0 ～ 2.2 倍，同时最高频率点满足过载倍数要求。
2.2 风路设计传统的电机一般都只有外部通风或内部通风，前者转子的热量难以散发，且电机绕组产生的热量需要传递给定子铁芯，定子铁芯再传递给机座，机座表面布置有散热筋，在电机的一端装有风扇或风机，空气从风罩尾部进风口吸进去，再经过风扇或风机旋转增大风压，形成有气压的气流从风罩口吹出，再沿着机座散热片向前流动，冷却机座表面，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，风量和风压下降厉害，且经过多次传递后冷却效率比较低，电机功率密度难以提高很多。后者需要外部的冷却风从电机非轴伸端端盖吹入，从轴伸端端盖吹出，电机的防护等级只能达到IP23，很多工况都不能使用。新的紧凑型起重专用系列电机为方形结构且没有专用机座，设计了2 套高效的通风结构且电机防护等级可以达到IP54 甚至IP55。风路1 由内风扇、定子铁芯内通风孔、铸铝转子风叶、铸铝转子通风道形成风路2 由轴流风机与定子铁芯外通风孔形成。内风扇装在转子的轴伸端，轴流风机装在电机尾端，其中内风扇随电机转子旋转。由于非出线端绕组端部位于端盖内腔，所以，刚好利用这一空间安装内风扇，不仅可以带走转子本身的热量，还可以把电机内部的热量搅拌均匀，并通过定子铁芯和两端端盖快速散发。出线端绕组端部相对比较长，刚好可以容纳铸铝转子自身的叶片及编码器，凸缘端盖与端盖都一个凹腔，刚好包含了部分绕组端部，使得电机的结构非常紧凑，而且电机没有机座，定子铁芯的长度可以根据电机功率进行调整，使得不同功率的电机都可以保证结构的紧凑性。风路1 可以使转子内部的热量比较均匀并很快传递到定子铁芯和两端端盖上，而定子铁芯导热率很高，热量可以很快地由风路2 散发。风路1 和风路2 的良好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，且很多应用场合都需要精确定位，因此，电机需要配置编码器来检测电机的转速、位置角度等信号，由于电机尾部需要安装制动器、风机，如果再将编码器装在制动器后面就会使得电机较长，不仅会造成电机高速旋转时产生振动，而且影响起重机构的协调性。因此, 需要将编码器安装在电机内部，这样可以缩短电机长度。如图4 所示，电机定子由定子冲片组成，没有机座，故电机主接线盒必须安装在端盖上，决定了端盖需要一个比较长的空腔，一是因为线圈端部在端盖空腔里面; 二是因为电机主接线盒需要较长的安装平面。如果编码器装在制动器后面，就需要一个编码器支撑装置用于固定，编码器，会使电机的轴向长度增加很多，且制动器属于要经常维护和保养的设备，编码器的装配会影响制动器的维护和保养。轴承由孔用弹性挡圈固定，因此, 刚好利用端盖中的空腔，将编码器转子安装在电机转子上，通过编码器转子锁紧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加强筋上，通过编码器弹片安装螺钉固定，编码器引线直接引入电机主接线盒中，这种安装结构既没有增加任何多余的支撑结构，且刚好利用了端盖的空腔位置，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 结束语本文阐述紧凑型起重专用电机的电磁及结构设计，通过合理的电磁设计，可以保证电机的低频转矩不低于2 倍，满足起重机的使用工况。通过优化的通风设计，使得电机功率密度在现有变频电机的基础上提高1 ～ 3个等级。如160 中心高的4 极电机，目前标准最大为15 kW，新的紧凑型电机功率则可以达到55 kW，整机质量约350 kg，而目前同功率等级的电机质量则为490kg。随着电机质量及体积的减少，减速器的质量及体积也随之减少，从而大大减轻机构质量，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，对节能减耗、推动绿色低碳经济的发展具有重要意义。
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