非标准频率辊道用变频调速电动机的研发

唐庆华

(中国长江航运集团电机厂，湖北武汉430205)



非标准频率辊道用变频调速电动机的研发

唐庆华

(中国长江航运集团电机厂，湖北武汉430205)

摘要介绍了非标准频率辊道电机相对于传统YG低转速电机的优点，提出了非标准频率电动机的电磁设计和制造过程中的关注焦点，提供了相应的实例数据并进行对比分析。实际应用结果表明，直联式非标准频率的辊道变频调速电动机可以广泛的应用于辊道生产线中。

关键词辊道；变频调速；电流；转矩；温升

0引言

在辊道领域里，传统的YGA或者YGB系列低转速辊道电动机出现了被非标准频率YGP辊道用变频调速电动机所取代的趋势。

根据《GB/T 21969—2008 YGP系列辊道用变频调速三相异步电动机技术条件》的要求，YGP系列标准电动机的额定电压为380V，额定频率为50Hz[1]，此两项数值与国内工频电网相匹配。

然而伴随着生产制造工艺和控制精度要求的提高，在新辊道生产线的设计选型过程中，取消减速机而采用直联式方式(电动机通过接手与辊子直接耦合联接)是越来越多。这些新的辊道设备中所配套的YGP辊道用变频电机的频率也都是非标准频率。它们已经被比较广泛地使用于轧钢现场的中厚板轧机辊道输送、轧机前机架辊道电机等重要工段。电动机在基准频率以下进行恒转矩调速，基准频率以上的恒功率区间一般很少运行。

本文重点阐述了该类非标准频率辊道电机的优点及其电磁设计、制造过程，并举例对比分析了非标准频率电机与普通YGA电机的性能参数。

1非标准频率辊道电机的优点

辊道作为轧件输送的主要设备，约占钢厂轧钢车间设备总数的40%左右，也是轧钢车间中使用最多的设备。按主要用途辊道可分为工作辊道、输入及输出辊道、其他类型辊道三种。

传统辊道线主要由导板、卫板和若干个辊子，多台辊道电机、传动轴，以及减速器和电控系统等部件组成(见图1)。

图1　辊道线组成简图

在以往的设计选型中，依照生产工艺的要求，由380V/50Hz工频电源供电的16极或者20极YGA和YGB辊道电动机大量使用于诸多钢厂的传统辊道生产线中。随着新设计方法和新工艺的出现，以及变频器模块及其配套系统的价格的不断下降，大量的非标准频率YGP辊道变频电动机开始取代了上述YGA和YGB辊道电动机。

根据已知的生产数据统计汇总，非标准频率的YGP辊道变频电动机的极数以6极和8极居多，电动机的中心高集中在200~355，其基准频率值根据传输速度不同从6.2Hz到30Hz不等。常见的基准频率有19Hz、25Hz、30Hz等(注：本文在后续描述中将这类基准频率低于50Hz的电机统称为非标准频率电机。)。选用非标准频率变频调速电机与传统工频供电的16极或者20极的YGA(或YGB)电机相比，主要具有以下几个优点。

1.1　空载电流低，运行电流小，系统效率高

YGA系列电机为保证合适的堵转转矩，减小起动电流，在转子导条和端环使用合金铝铸铝的同时，还需要缩小转子槽形尺寸，因而电机转差率加大，转子绕组损耗增大，效率降低。

对于传统16极或者20极的YGA和YGB电机来说，由于电动机的功率因数随着极数的增多而降低,同时电机转差较大,效率偏低,所以它们的名义功率值虽然不大，但是满载电流还是很大的。另外电机的功率因数还随负载大小而变化。当空载运行时,定子电流基本上就是激磁电流(其主要成分是无功的磁化电流)，所以空载时功率因数很低,约为0.1～0.2[2]。因此即使是轻载运行,高极数的辊道电机由于功率因数和效率均低，最终空载电流偏大，空载运行损耗过高。而这些损耗全部会经由铁心和机座之间的热传导，以发热的方式进行发散，这会导致表面温度上升明显。根据电机学原理，电机转轴输出的额定转矩为

Tn=9550×PN/nN

(1)

式中，PN—电机额定功率；nN—电机额定转速。

电机额定转速为

nN=(1-s)×60×f/p

(2)

式中，s—电机转差率；f—电机额定频率；p—电机极对数。

从式(1)可以得出，在保持输出转矩不变的情况下，通过降低输出转速，可以降低电机的额定功率，从而间接降低电机满载运行电流。而且随着电机满载电流的降低，配套变频器的容量也可以选小，系统整体造价降低。

而式(2)则表明：要想降低电机输出转速，可以通过降低电源频率或者增加电机极对数两种方式来实现。大量的试验证明，由于随着频率、磁密的增加，总损耗也在增大。频率增加时涡流损耗增加的速度比磁滞损耗快，且涡流损耗在总损耗中所占的比率也在增大[3]。同时随着频率的降低，铁心损耗也会降低，电机整体效率还会有进一步提高。

所以非标准频率电机具有空载电流低,运行电流小,系统效率高的优点,这些积极因素对减少电机运行时的发热量,使得电机维持良好的温升状况都是有益的。同时伴随着电流的降低，电机损耗降低，系统用电量也将下降明显，这对于长期连续运转工作且由上百台电机组成的中厚板轧机辊道输送线来说，必将带来非常显著的节能效果。

1.2　起动转矩大，起动电流小，过载能力强

通过合理的设计，起动过程中，在变频器允许范围内在保持起动电流不超过2倍电机额定电流的条件下，非标准频率电机在1Hz左右时的起动转矩可以达到1.5~2倍，电机起动加速响应快，加载时间更短。而且结合变频器曲线的选取，电机在基准频率以下进行恒转矩调速，整个低频区间运行更平稳。电机在基准频率点的过载能力可以达到3~3.5倍。个别情况下经特殊设计，电机过载能力还可以达到更高。所以，非标准频率电机的机械性能明显要好于常规的16极或者20极的YGA(YGB)电机。

1.3　设备维护简单，故障少，设备运行更平滑

取消减速机后，传动系统中可能存在的机械故障隐患点也自然减少一个，整个辊道系统传动更简洁，整体机械效率更高。同时设备的安装、调试方面更加便利，设备维护和保养工作更简单。

另外，通过变频器模块的自学习功能，我们可以选择一条最佳的运行曲线，以驱动非标准频率电机在整个恒转矩区间运行平滑，控制精度更高。

2电磁设计

结合本文从气隙选取、定转子槽配合、磁密、电密取值和最大转矩倍数等方面浅谈非标准频率电机的电磁设计基本规范。

2.1　气隙δ的选取

当气隙过小时，除影响电机的机械可靠性外，还会使谐波磁场及谐波漏抗增大，导致起动转矩和最大转矩减小，谐波转矩和附加损耗增加。另外气隙过小时，定转子内部空气对流不通畅，热传导效率低，这对完全依靠机座表面散热筋来与外界进行热交换的辊道电机尤为不利，很有可能会带来温升过高的不良后果。

通常情况下，中心高355以内的非标准频率电机气隙一般按0.45～0.8mm进行选取(根据电机大小进行分档，小机座号取较小值，大机座号取较大值)。

2.2　定转子槽配合及绕组设计

8极非标准频率电机常用的定子槽数Q1与转子槽数Q2的配合为72/58或者72/86。定子铁心和铸铝转子均不采用斜槽设计。

定子绕组采用双层叠绕组型式，在选择节距时，从电机具有良好的电气性能和节约导线材料方面考虑，通常选取定子绕组节距为y=7或者y=8，以更好地削弱磁势的5次和7次谐波分量，改善磁势与电势波形，使电机的电气性能更好[2]。

由于不需要刻意去改善电机的起动性能，所以转子导条和端环的铸铝填充材料均为纯铝，转子损耗更小。

2.3　磁密、电密的选取

根据经验，非标准频率辊道变频电机的磁密大致按以下范围取值，见表1。

表1　非标准频率辊道变频电机的磁密取值

电流密度的合理选取对电机的性能及成本非常关键。一般情况下我们将定子电流密度控制在3A/mm2以内，转子电流密度控制在2.5A/mm2以内。

2.4　最大转矩倍数

根据《GB/T 21969—2008 YGP系列辊道用变频调速三相异步电动机技术条件》中4.5条的要求，电动机在额定电压和额定频率下，基准工作制时，最大转矩对额定转矩之比的保证值对于11kW以内应不低2.5倍，11kW以上应不低于3倍[1]。

在实际设计过程中，非标准频率电动机一般最大转矩倍数按3.0~3.5倍左右设计。对于运转过程中过转矩次数较多、短时过转矩能力要求高的工况，则按4.0~4.5倍左右的最大转矩倍数来进行设计。

3制造

从电机制造的标准化和一致性来考虑，非标准频率电机的结构件和定转子铁心三圆尺寸均与传统YGA/YGB电机一致。主要是在定子绕组和铸铝转子的设计上进行相应的调整设计。

对于非标准频率电机而言，除了对其电气性能需要特殊关注以外，对它的防护等级也要加强注意。在一般情况下，大多数的电机防护等级为IP54。但是在很多轧钢现场的关键工段，考虑到水蒸汽长期存在，并且在检修过程中经常用高压水枪冲洗电机表面的灰尘，这些地方的电机防护等级需要调整为IP55或者IP56。

对于IP55的防护等级，在IP54密封处理的基础上增加以下措施。

(1)出线盒座底部、出线盒盖、观察窗盖、端盖止口加工环形沟槽，先在沟槽内均匀涂抹厌氧密封胶，然后再上硅胶O型密封圈后安装到位；

(2)出线盒座和高端盖上的金属出线套的螺纹外侧均匀涂抹厌氧密封胶后旋紧固定到位。

对于IP56的防护等级，在IP55密封处理的基础上增加以下措施。

(1)增加一个迷宫式甩水环在骨架油封前端，甩水环与轴为小过盈热套配合，以轴用弹性挡圈进行轴向定位；

(2)轴承内盖的丝孔不钻穿，轴承外盖钻孔后表面锪孔，联接螺栓上增加硅胶O形密封圈；

(3)适量增加端盖与机座之间、轴承内外盖之间以及出线盒座、盖之间的联接螺栓数量。[4]

我公司根据客户要求设计制造了两款非标准频率电机，以取代在某轧钢厂热送线螺纹钢生产线电气化改造项目上面所使用数台YGA 20极辊道电动机。原辊道电机在轧钢厂生产任务不饱满的情况下，试车过程中已经出现机座表面温度过高(现场测量接近100°)并呈不断上升趋势。我们为该公司设计的非标准频率电机为额定电压380V，基准频率25Hz。

下面将两款(分别命名为1#和2#)非标准频率电机性能参数设计值与需要替换的常规辊道电机性能参数测量值列表进行对比，见表2、表3。

表2　1#电机参数对比表

表3　2#电机参数对比表(1)

从表2和表3可以看出，虽然标称功率比普通YGa电机要大很多，但是两款非标准频率YGP电机的空载电流比原20极辊道电机却要小了一半左右，相反地非标准频率电机的额定电流也有较大的降低，同时电机的转出转矩值提升幅度大，过载能力强，机械特性硬。

参考文献根据[1]中型式试验的相关要求，分别对1#和2#电机进行了试验，试验结果表明实测值与设计值吻合度好。按照S1连续工作制全功率做热试验，电机绕组温升值分别为65K和80K。另外在控制起动电流不超过2倍额定电流的情况下，两款电机1Hz时的低频起动转矩倍数均大于2倍额定转矩。

这两款非标准频率电机到现场装机后经现场连续监测，在实际负荷情况已经接近满负荷的情况下，电机机座外壳温度约在50℃～60℃区间波动，电流波动小，电机机械性能好，动态响应快，非标准频率电机整体性能明显优于现场原有YGA 20极辊道电动机，钢厂在使用过程中非常满意。

4结语

总之,我们可以通过采用特殊非标准频率的优化设计方案，使辊道变频电动机具有空载电流小、满载电流低、过载能力强和低频起动转矩大等优势。同时这样的方案还可以减少机械传递环节，简化控制要求和减少设备运行的维护保养频次，提高结构整体运行效率。另外，由于运行电流的降低，配套变频器的容量可以相应变小，再加上减速机的取消，整个辊道传动系统的投资也同样降低，这对投资者来说是一个多赢的局面。

直联式非标准频率的辊道变频调速电动机将在辊道生产线中得到广泛的应用。由于工业布局的理念不同，对于轧钢现场各工段而言，其工艺要求千差万别,对辊道电机的具体要求也是各种各样。我们可以根据现场设备的转速和负载运行曲线要求,有针对性地设计各种特殊基准频率的非标准频率电机,从而使电动机能够获得更好机械性能。

[1]GB/T 21969—2008 YGP系列辊道用变频调速三相异步电动机技术条件.

[2]汤蕴璆.电机学，北京：机械工业出版社，2012.

[3]崔杨，胡虔生，黄允凯.任意频率正弦波条件下铁磁材料损耗的计算.微电机，2007.8.

[4]唐庆华，浅谈船用起重用绕线转子电动机的设计与制造.防爆电机，2015.5.

Development of Variable-Frequency Adjustable-Speed Roller Table

Motor with Non-Standard Frequency

TangQinghua

(China Changjiang National Shipping Group Motor Factory, Wuhan 430205, China)

AbstractThis paper introduces the advantages of non-standard frequency roller table motors compared with traditional YG series low-speed motors, puts forward the focus of attention in electromagnetic design and manufacturing processes of the motor, and provides the corresponding instance data and comparison analysis. Practical application results show that direct-connected variable-frequency adjustable-speed roller table motor with non-standard frequency can be widely used in roller table production line.

Key wordsRoller table；variable-frequency adjustable-speed；current；torque；temperature rise

收稿日期：2015-10-14

作者简介：唐庆华男1976年生；毕业于湖南工程学院，起重冶金及屏蔽电机标准化委员会委员，现从事电机设计及技术管理工作.

中图分类号：TM301.2

文献标识码：A

文章编号：1008-7281(2015)06-0023-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.08