一種專用于緊湊型起重機中的變頻電機設計研究

王國柱

摘要： 隨著當今科學技術的不斷發展，起重機的發展也越來越傾向于輕量化和小型化。眾所周知，變頻電機是當今起重機設備中不可或缺的一項配套部件。因此，在緊湊型起重機的應用與發展中，其變頻電機的設計也開始備受關注，只有使其變頻電機能夠有效符合緊湊型起重機的實際應用標準，才可以確保緊湊型起重機的應用效果。基于此，本文就對一種專門應用在緊湊型起重機中的變頻電機設計進行研究，以此來為緊湊型起重機的良好應用與發展提供科學參考。

Abstract： With the continuous development of science and technology， the development of cranes is more and more inclined to lightweight and miniaturization. As we all know， frequency conversion motor is an indispensable part of crane equipment. Therefore， in the application and development of the compact crane， the design of the frequency conversion motor has also begun to receive much attention. Only by making the frequency conversion motor can effectively meet the practical application standards of the compact crane， can we ensure the application effect of the compact crane. Based on this， this paper studies the design of a variable frequency motor specially applied in the compact crane， so as to provide a scientific reference for the good application and development of the compact crane.

關鍵詞： 緊湊型起重機;專用電機;變頻電機;電機設計;設計方案

Key words： compact crane;special motor;frequency conversion motor;motor design;design scheme

中圖分類號：TH211??????????? ????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0080-02

0? 引言

在當今，起重機是物料搬運過程中的一項關鍵設備，它在社會經濟發展中所占據的地位至關重要，在貨場搬運、生產車間等的各個領域中，起重機都得到了廣泛應用，并在具體應用中發揮出了顯著優勢。伴隨著當今社會節能環保理念的深化，起重機也開始朝著緊湊型的方向發展，而與之配套的變頻電機更需要緊隨其發展步伐，與其共同實現輕量化、精巧化、美觀化和智能化的發展。

1? 緊湊型起重機發展概述

隨著當今機械設備領域的發展與各項先進技術的革新，起重機也開始在原有基礎上實現了更好的發展，就其外形來看，目前的起重機重量更輕，體積更小，外觀也更加簡潔美觀，因其自身高度和體積的縮小，在具體應用中，可實現廠房高度的降低與空間的節約。

在傳統形式的起重機中，其主要的組成部分包括電機、減速器、制動器、滑輪和卷筒等，這種起重機不僅具有很大的重量，也具有很大的體積。而目前的緊湊型起重機大多是三支點支撐形式的安裝，借助于法蘭直接將變頻電機安裝在減速器上，這樣就減輕了起重機的重量，縮小了起重機的體積。但是因為電機和減速器都處于懸空安裝狀態，所以對于變頻電機功率密度就具有更高的要求，同時也需要盡可能降低其轉動慣量，這樣才可以使其點動、起動以及正反轉過程中的加速性能得到良好保障[1]。

2? 緊湊型起重機專用變頻電機設計特征分析

在本次所研究的這種專用于緊湊型起重機中的變頻電機中，將其結構形式設計為方形，將普通變頻電機中的專用機座取消，通過方形的硅鋼片進行定子芯組合設計。通過這樣的方式，不僅可以讓變頻電機自身重量得以有效減輕，同時也使其沖片實現了有效應用面積的進一步加大。具體設計中，按照緊湊型起重機的實際應用特征，將該變頻電機在1-3Hz低頻條件下的啟動轉矩倍數設計在2倍及以上;將其在100Hz高頻條件下的過載能力進行科學設置。為進一步確保其應用效果，在該專用變頻電機中進行了編碼器配置，并將盤式制動器配置在了其尾部，通過這樣的方式，不僅使其結構更加緊湊，也使其轉動慣量得以顯著降低。

3? 緊湊型起重機專用變頻電機設計方案

在對緊湊型起重機中的專用變頻電機進行設計時，主要的設計內容包括電磁設計、風路設計以及結構設計。圖1是本次所設計的緊湊型起重機專用變頻電機總體結構示意圖。

在圖1中，序號1代表伸縮端部的凸緣端蓋;序號2代表內置風扇;序號3代表定子線圈端部;序號4代表定子鐵芯;序號5代表定子鐵芯中的外部通風孔;序號6代表定子鐵芯內部的通風孔;序號7代表鋁鑄轉子;序號8代表轉子通風道（鋁鑄）;序號9代表普通轉子;序號10代表轉子風葉（鋁鑄）;序號11代表非軸伸端一側的端蓋;序號12代表軸流風機;序號13代表編碼器;序號14代表制動器。

3.1 電磁設計

在本次所設計的緊湊型起重機專用變頻電機中，并未進行專用機座的設置，其鐵芯設計為方形，以此來實現定子和轉子沖片有效面積的顯著增加，其中的定子沖片結構是方形，可實現原材料的合理利用，更具綠色節能效果。在對此設計方案進行制定的過程中，可將定子和轉子槽型面積適當增加，讓整體電機實現熱容量的進一步提升，在確保其力能指標的基礎上盡最大限度降低變頻電機運行過程中的發熱量，這樣就可以大幅度提升變頻電機功率。

在對此類變頻電機進行電磁設計的過程中，除了應該對某個固定工作狀態進行計算之外，也需要對各個頻率點進行轉矩參數的選擇，以此來確保其與額定參數要求相符。在此過程中，應確保其發熱因數最大值不超出溫升限值，磁參數最高值應與材料的實際性能要求相符。

在轉子槽型的研究中，因高次諧波在電機正常運行狀態下將會對轉子差率造成較大影響，所以需在轉子抗基波抗漏設計降低的同時提升其諧波抗漏設計。在此過程中，也應該注重定子槽的合理選擇，使其和轉子槽之間達到良好的配合效果，通過這樣的方式，不僅可有效抑制附加轉矩所受的諧波影響，也可以對制動和噪聲影響加以有效抑制，特別是對于電磁噪聲，更是具有顯著的抑制效果[2]。本次設計中，將電磁設計方案確定為可以在1Hz條件下讓電機起動轉矩達到2-2.2倍，且頻率點最高值與電機過載倍數限制要求相符。

3.2 風路設計

在傳統電機中，通常會直接進行內通風或者是外通風設計，但是前者會導致轉子中的熱量散發困難，影響電機自身的功率密度;后者則只能讓電機防護等級達到IP23，在緊湊型起重機的很多工況下都并不適用。基于此，在緊湊型起重機專用變頻電機的設計中，將其結構設計為方形，且并未進行專用機座設置，其中的通風結構共有兩套，電機防護等級可以達到IP54，甚至可以達到IP55。

在第一套風路中，主要的組成部分包括轉子通風道（鋁鑄）、轉子通風葉（鋁鑄）、定子鐵芯內部的通風孔和內置風扇。在第二套風路中，主要的組成部分包括定子鐵芯外部的通風孔以及軸流風機。具體設計中，將內置風扇安裝到轉子軸伸端，將軸流風機安裝到電機尾部，轉子旋轉過程中，內置風扇也將隨之轉動。

3.3 結構設計

因為緊湊型起重機中的專用變頻電機調試性能應足夠廣泛，且對于各種的應用場景均應該做到精準定位，所以在此類變頻器的具體設計中，應注重編碼器的合理配置，這樣才可以對其轉速、角度以及位置等的各種信號做到實時檢測。因為此類變頻電機的尾部需要進行風機和制動器安裝，如果在制動器后方再安裝一個編碼器，便會導致電機過長，這樣的情況不僅會使其在高速運行的狀態下出現較大振動，同時也會對緊湊型起重機中的起升機構協調性造成不利影響。

具體設計中，考慮到定子的主要組成部分為定子沖片，且電機未設置機座，所以必須在端蓋上安裝主接線盒。在這樣的情況下，端蓋空腔就比較長。而借助于這個空腔，剛好可以將編碼器中的轉子安裝到電機中的轉子上，并借助于編碼器中的轉子鎖緊螺釘將轉子固定住，再借助于編碼器彈片將其定子安裝到端蓋軸承室內的加強筋上，借助于安裝螺釘做好固定處理，然后直接將編碼器中的引線引入到主接線盒內[3]。通過這樣的設計方式，不僅在安裝過程中無需進行任何多余的結構設置來提供支撐，同時也可以讓端蓋中的空腔得以合理利用;且并沒有導致電機軸向尺寸增加，可有效確保電機的緊湊性。

4? 結束語

綜上所述，在對緊湊型起重機中的專用變頻電機進行設計時，設計者一定要對其具體特征和應用需求做到全面了解，然后以此為依據來進行設計方案的科學制定。通過科學合理的電磁設計、風路設計以及結構設計來確保此類變頻電機的設計質量，使其在緊湊型起重機中發揮出先進的技術優勢，以此來確保緊湊型起重機在當今時代的良好應用與發展。

參考文獻：

[1]李勝永，季禹，張悅.港口起重機變頻電機智能安全監測裝置設計[J].電氣傳動自動化，2020（03）：36-40.

[2]龔籽豪.起重機調速系統變頻調速技術分析[J].南方農機，2019（20）：158.

[3]張韋微，王朋輝，郝鋮.輕量化起重機電機和制動器技術發展狀況[J].起重運輸機械，2018（04）：72-74.