永磁直驱起升机构的安全性分析

吴军

(河南卫华重型机械股份有限公司 河南新乡市453400)

1 前言

1821年，世界上第一台电动机雏形由英国物理学家法拉第完成，其工作原理是通电线圈在磁场中受到力的作用(或磁场对电流有力的作用)。10年后，法拉第发现了电磁感应现象，根据这一现象他又制成了世界上第一台发电机模型，这里所说的磁场就是永磁体所产生的磁场。在没有以钕铁硼为代表的高磁能积永磁材料出现之前，由于铁氧体磁能积仅有3.5-4.5 J/m3，所以无法生产制造大功率的电动机，以通电线圈形成励磁代替永磁成为电动机的首选。

1983年6月和9月，日本住友特殊金属株式会社和美国通用汽车公司先后独立研制成功新型永磁材料钕铁硼后，我国便相继开始稀土钕铁硼永磁电机的研究与开发。由于中国稀土矿的储量居世界首位，烧结钕铁硼永磁的产量约占世界总产量的四分之三，这一得天独厚的优势为中国稀土永磁电机的发展和应用提供了极为有利的条件。

钕铁硼磁能积30-50 J/m3，有的甚至达到200 J/m3，且随着钕铁硼价格的不断下降，使低速大扭矩电动机的生产推广成为可能。近几年来，国内一些起重机生产企业、电动机制造企业先后生产出了高达数百千瓦的电动机，也出现了以永磁直驱外转子电动机代替传统的电机机+减速器+制动器+卷筒组的起重机起升机构。作为新生事物，现行起重机的设计、制造标准对永磁直驱起升机构均未涉及，所以起重机制造企业、使用企业、检测机构对永磁直驱外转子电动机能否作为起重机的起升机构使用存在不同认识。

2 永磁直驱起升机构原理

永磁直驱起升机构利用永磁同步电机外转子的外壳作为卷筒，内部是永磁同步电机的定子，定子两端为刚性支撑底座，如图1。通电后，卷筒带动钢丝绳运行，完成起重机的升降动作，实现对负载的直接驱动。永磁直驱起升机构采用了低速大扭矩电动机制造技术、智能化控制技术、安全制动技术，结构紧凑、简洁，和传统的起重机起升机构相比，永磁直驱起升机构无减速器、无高速轴制动器、无联轴器等。采用此种结构，所有机械传动部件(滚珠丝杠副、齿条与齿轮、传动皮带/皮带轮以及齿轮箱等)均被取消，消除了由机械传动带来的反向间隙、柔度以及与之相关的其它问题，从传动形式、节电、安全性及工作效率上对起重行业起升机构的性能进行了大幅提升。

图1 永磁直驱起升机构示意图

3 永磁直驱起升机构安全性分析

铸造起重机在起重机产品的门类里是较为特殊的一个门类，特殊在于铸造起重机吊运的是熔融金属，一旦出现事故，后果不可想象。

所以为保证永磁直驱起升机构的安全，只要能够说明永磁直驱起升机构满足GB/T 7688.5-2012《冶金起重机技术条件 第5部分：铸造起重机》(以下简称GB/T 7688.5)[1]对起升机构要求，那么就可以说明，在通用的桥门式起重机上，采用永磁直驱起升机构是可行的。

为了确保安全，GB/T 7688.5[1]的4.5部分对铸造起重机的起升机构，做出了明确的规定(仅列出因起升机构改变，导致可能不符合要求的条款)：

“4.5.1每套主起升机构传动链的驱动轴上应装设两套符合JB/T6406[3]或JB/T7020[4]要求且能独立工作的制动器，每套制动器的安全系数应符合GBT3811-2008中6.1.1.3.13c[2]的规定。”

“4.5.2起升机构(电动葫芦除外：传动链应满足下列条件之一：

1)主起升机构设置两套驱动装置，并在输出轴刚性连接；

2)主起升机构设置两套驱动装置，在输出轴上无刚性连接时或主起升机构设置一套驱动装置时均应在钢丝绳卷筒上设置安全制动器；

注：两套驱动装置指两台电动机、两套减速系统、一套或多套卷筒装置和四套制动器。”

“4.5.9起升机构应保证电动机先通电，制动器后打开，当电动机失电后，高速轴制动器应立即制动。”

“4.5.11主起升机构制动器的控制，应有防止因一个接触器损坏、粘连造成控制失效的措施。”

3.1 永磁直驱起升机构是否符合GB/T 7688.5[1]中4.5.1条的规定

GB/T 7688.5中规定：“4.5.1每套主起升机构传动链的驱动轴上应装设两套符合JB/T6406[3]或JB/T7020[4]要求且能独立工作的制动器，每套制动器的安全系数应符合GB/T3811-2008[2]中6.1.1.3.13c)的规定”。按常规理解及我国现有铸造起重机的实际现状，此条中的两套独立工作的制动器是指安装在减速器高速轴上或二级高速轴上(起升机构采用一个行星减速器带动两个普通减速器品字型布置时)，永磁直驱起升机构是以永磁同步电机外转子的外壳作为卷筒，直接卷绕钢丝绳实现对重物起升和下降，省去了减速环节，没有了减速器，也就没有了高速级与低速级的分别。永磁直驱起升机构制动器采用是电磁钳盘制动器制动外转子的突缘部分，如图2。一般认为，永磁直驱起升机构的“减速器高速轴上或二级高速轴上”未安装独立工作的制动器是不符合要求的。

图2 采用永磁直驱起升机构的起重机

但是，GB/T 7688.5中的4.5.1条中并没有特别指明两套独立工作的制动器是安装在高速级还是低速级。此条中的“符合JB/T6406或JB/T7020要求”的制动器分别是电力液态鼓式制动器和电力液压盘式制动器，符合这两个标准的制动器是不是适宜做低速级制动器？在起重机上，尚未见使用的先例。

所以永磁直驱起升机构是否符合GB/T 7688.5中4.5.1条的规定，其核心问题是：装在卷筒上的安全制动器是否可以作为工作制动器使用？如果可以作为工作制动器使用，至于制动器的数量、控制等问题都将迎刃而解！

3.2 永磁直驱起升机构是否符合GB/T 7688.5中4.5.2条的规定

永磁直驱起升机构是外转子电动机的转子做为卷筒使用，其实质是一台低速大扭矩电动机，即起升机构有一套驱动装置、卷筒设置有安全制动器，所以符合GB/T 7688.5中4.5.2的b款：“主起升机构设置一套驱动装置时均应在钢丝绳卷筒上设置安全制动器”。

这里也需提出，尽管GB/T 7688.5中4.5.2条中款没有明确安全制动器的驱动形式是液压还是电磁，但一般理解和实际工程应用，安全制动器是指液压盘式制动器。之所以不采用电磁制动器，主要原因在于电磁制动器较液压盘式制动器上闸时间更短，易给传动系统造成冲击，可能会导致传动链上的零部件损坏。

3.3 永磁直驱起升机构是否符合GB/T 7688.5中4.5.9条的规定

GB/T 7688.5中4.5.9条是对起升机构制动器的控制提出的要求，对于永磁直驱起升机构而言，此条与GB/T 7688.5中4.5.1条相同，在于理解安装在永磁直驱起升机构上的安全制器是什么性质的制动器，是安全制器还是工作制动器？如果理解为工作制动器，现有的电气控制技术完全可以保证电动机先通电制动器后打开，当电动机失电后制动器应立即制动，也就符合GB/T 7688.5中4.5.9条的要求。

3.4 永磁直驱起升机构是否符合GB/T 7688.5中4.5.11条的规定

GB/T 7688.5中4.5.11条是对制动器控制提出的要求，目前对于铸造起重机，不论是工作制动器还是安全制动器均采用冗余控设计，以防止因一个接触器损坏、粘连造成控制失效。所以永磁直驱起升机构满足此条规定不是问题。

4 安全制动器可否做为工作制动器使用

目前，铸造起重机上所使用的安全制动器均为液压驱动、控制。安全制动器在通电后液压松闸，断电后弹簧上闸，即为常闭型制动器。安全制动器在下述情况下投入使用：

1)在工作制动器上闸失效时；

2)在高速轴联轴节断裂，减速机轴或减速机齿轮断裂时；

3)卷筒断轴时；

4)其他原因使吊具超出设定运行速度时。

上述四种工况的表现都是卷筒超出设定转动速度，其信号来自电动机轴的编码器和卷筒轴编码器。其中，在第一种工况下，另外一个参照信号可以来自工作制动器的松闸/上闸指示开关，即PLC对工作制动器给出上闸指令后，工作制动器的松闸/上闸指示开关将在一定的时间内反馈一个正确的信号，如果该信号有误，这时安全制动器将会制动。

安全制动器的上闸指令来自PLC，安全制动器在接到上闸指令后安全制动器泵站电控箱给泵站电机和液压系统阀件断电，安全制动器液压缸里的高压油迅速回到油箱，安全制动器可在0.3s内上闸。松闸时间为1.3s，制动时下滑距离一般为100mm。

目前，国内进口的安全盘式制动器主要来自德国、法国，国内也有生产，但匀按企业标准生产，无国家标准、行业标准。

按照GB/T 7688.5对制动器使用要求来看，安全制动器作为工作制动器使用是可行的，也完全满足GB/T 7688.5的规定。

5 安全制动器的使用现状

由于安全制动器均安装在起升机构的低速端，制动力矩大，而且仅在紧急状态时工作，安全制动器还有不少的技术难题需要攻克。

1)安全制动器的生产、制造无相应国家、行业标准，目前国外的生产企业均根据自己的经验生产制造。

2)安全制动器的安全系数大小，无相应的标准。安全系数大小在GB/T3811—2008[2]《起重机设计规范》、GB/T 7688.5、FEM标准中均未具体给出，安全制动器厂家的一般推荐数值为≥1.5，如果安全系数取值过大，制动时会给起升机构传动链上的零部件造成较大的冲击荷，甚至导致传动链上的零部件损坏。

3)起重机突然断电或安全制动器出现误动作时，由于安全制动器响应时间短，一般会先于工作制动器上闸，在低速轴上施加一个很大的制动力矩，使低速轴在短时间内停止转动，但高速轴上的电动机、制动轮(盘)等具有的转动惯量也要在短时间内消耗掉，给传动系统造成很大的冲击载荷，可能导致传动链上的零部件损坏。某公司为国内一钢铁企业生产的铸造起重机就曾出现过安全制动器误动作，使高速轴联轴器损坏、电动机飞出去的事故。

对于永磁直驱起升机构，没有了常规的减速器、电动机、制动轮(盘)、联轴器等，所以可有效地避免此类事故的发生。

4)安全制动器长期处于不工作状态，仅在紧急状态时参与工作，维护保养常被忽略。而且，一台安全制动器从起重机出厂到起重机报废，几乎就不会参与工作，所以在紧急状态时，安全制动器能否起到安全作用，存疑。

5)和机械控制、电气控制相比，液态控制系统的可靠性差，能否在事故时准确动作，存疑。

把电磁钳盘式制动器作为安全制动器使用时，对于铸造起重机的主起升机构而言，也同样存在上面难题。

铸造起重机主起升机构安装安全制动器，是太原重工股份有限公司上世纪80～90年代引进吸收德国的技术，在德国由于铸造起重机后期的生产数量很小，安全制动器在铸造起重机上的使用比中国还少，而且由于上述种种原因，输出轴刚性连接成为铸造起重机主起升机构的首选。

6 结论

本文对标GB/T 7688.5-2012《冶金起重机技术条件 第5部分：铸造起重机》中起升机构的安全条款，论证了永磁直驱起升机构的安全性。得出结论：

1)永磁直驱起升机构符合GB/T 7688.5中4.5.2的b款：“主起升机构设置一套驱动装置时均应在钢丝绳卷筒上设置安全制动器”。

2)起重机设计者、使用方之所以有疑虑的焦点是：装在卷筒上的安全制动器是否可以理解为工作制动器并作为工作制动器使用。

3)当安装在外转子上制动器的可靠性可以有效保证时，此制动器既可当安全制动器使用，也可作为工作制动器使用。

4)作为一项新技术，现行标准尚未将其包含其中。

所以，根据技术现状及现有技术标准，在永磁直驱电机质量可靠的情况下，从形式及安全性分析，永磁直驱起升机构完全可在铸造起重机的主起升机构上使用，当然也可以在通用桥、门式的起升机构及其它起重机的起升机构上使用。