塔式起重機用大功率緊湊型變頻電動機設計

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。隨著我國建筑業的不斷發展，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%負荷連續運行效率大于94%、溫升不大于85 K，低速區140%額定載荷可正常起落載荷，無溜鉤下滑現象。

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，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。

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，往往會造成基速時過載倍數裕度過大，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過飽和現象。因此，解決這種現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律升高到合適的電壓。結合項目電動機要求，需對關鍵參數進行合理選取。

1.1 定轉子槽數選擇和槽配合

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，即轉子槽數接近且少于定子槽數，可減少齒諧波磁通在鐵心齒中產生的脈振損耗，對降低雜耗和溫升比較有利。少槽-近槽配合容易產生電磁振動和噪聲，也可能會產生同步附加轉矩。根據經驗，轉定子槽數比在0.8～1時轉子空載導條損耗最低，在1.1～1.2區間上升較快，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，適當地處理每槽線圈匝數，按正弦規律分布槽電流，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；z為定子槽數；I為每相電流有效值；q為極相槽數；yi為各線圈節距，Ni為匝數，i＝（1，…，q-1，q）；N為每相繞組串聯總匝數；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；kqν為繞組ν次分布系數；kNν為繞組ν次諧波繞組系數。

從式(10)可以看出，諧波繞組系數變小，諧波磁勢得到削弱。而同心式繞組各線圈中心線重合，每個線圈所產生磁動勢的軸線沒有位移，即同心式繞組的分布系數kqν=1，也就是說計算同心式繞組的繞組系數就是計算其短距系數，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均為各線圈匝數的函數，故可根據需要調整各線圈的匝數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p=2，極相槽數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，其取值應為整數，通過適當調整每槽匝數，分別對常規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，同時用銅量節省了約3 kg。因此，采用雙層同心繞組方案不僅可節省材料，還能使電動機主要性能得到提升。

表2 設計參數對比

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。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如表3所示。電動機為封閉結構，故采用強迫通風方案，經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

電磁參數的選取應使每個頻率點的轉矩滿足額定參數要求，低頻起動點的起動參數，滿足變頻電源要求，最大發熱因數滿足溫升限值，最高磁參數滿足材料性能要求，最高頻率點滿足轉矩倍數要求，額定點的效率、功率因數滿足額定要求。

2 結構設計

根據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。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

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%負載下連續運行，定子繞組溫升值穩定在82 K，效率94.36%，最高速時過載倍數為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。通過優化結構設計電動機功率密度在傳統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電動機的60%，使得起升機構具備較快的系統響應能力，主機安全性能得到進一步的提升。