浅谈轻量化起重机中的高效变频电机及其发展

王国柱

摘要：伴随着当今社会经济与科学技术的协同发展，起重机也逐渐实现了轻量化。而在轻量化起重机中，高效变频电机是一项至关重要的配套设施，只有对高效变频电机加以深入研究，使其结构得以科学设计，并实现其多样化、小型化、自动化以及智能化的发展，才可以为轻量化起重机的应用与发展提供足具科学性的技术支撑。基于此，本文就对轻量化起重机中所应用的高效变频电机及其发展进行分析，包括此类变频电机的概述、相关的标准规定、研究现状、结构设计以及发展方向。希望通过本次的研究与分析，可以让高效变频电机在轻量化起重机中得以科学应用，以此来进一步促进此类高效变频器与轻量化起重机的良好应用与发展。

关键词：轻量化起重机;高效变频器;结构设计;发展方向

引言：在当今，轻量化形式的起重机已经在工程领域中得以良好应用，并凭借着材料和能源等的显著节约而发挥出了非常好的应用方式，其发展前景也是一片光明。在此类起重机中，变频电机是一项最为重要的配套构件，其技术水平也将会对整体起重机的应用性能起到直接的影响作用。因此，在对轻量化起重机进行应用和研究的过程中，相关企业和技术人员一定要加大力度对应用在其中的变频电机进行研究，通过先进的技术措施来保障变频电机的高效性。这样才可以满足轻量化起重机的实际应用与发展需求，使其在工程领域中发挥出充分的技术优势，在确保其应用质量的基础上实现材料和能源的最大化节约。

一、轻量化起重机中的高效变频电机概述

就目前的轻量化门式起重机来看，其变频电机主要应用的是YZP这一系列的起重和冶金三相异步变频调速电动机，它是轻量化起重机中所配置的主要高效变频电机类型。目前，此类高效变频电机的技术已经十分成熟，市场占有率十分可观，且价格也比较合理。作为一种新型的高效变频电机产品，该变频电机具有很宽的调速范围，很小的能耗，启动、制动和速度切换过程中所产生的冲击很小，且能够实现高精度的吊重定位，技术优势十分显著，在轻量化起重机中具有很大的潜在使用规模。

二、轻量化起重机中的高效变频电机的标准规定

就目前来看，针对轻量化起重机中所应用到的高效变频电机，我国已经制定了相应的标准规定，比如《ZYE系列起重及冶金用电磁制动三相异步电动机技术条件》JB/T 7563-2005以及《YZRE系列起重及冶金用电磁制动绕线转子三相异步电动机技术条件》JB/T 7077-2002等[1]。但是对于电磁制动形式的高效变频电机，我国目前依然不具备足够完胜的技术标准，仍需进一步进行相关标准的制定。

在当今，很多中小功率形式的电磁制动型变频电机生产技术已经十分成熟，其产品也在很多企业中投入了规模化的生产，并在起重行业中得到了越来越广泛的应用，在国外，ABB以及SIEMENS等的专业化电机生产企业，以及ABN、FLWNDER、NORD、SEW等的传动设备生产制造企业中，都进行了此类变频电机的生产制造;在国内，佳木斯电机股份有限公司、无锡新大力电机公司、长江航运集团等都进行了此类变频电动机的开发，包括YZPE型电机以及YZPFE型电机等。但是因为相关的技术标准不够统一，所以各国生产企业大多根据企业内部标准来进行此类变频电机的设计与生产。

对于起重机械试验而言，因其专项技术方面的相关标准不足，所以只能够根据非变频形式的《起重及冶金用变频调速三相异步电动机》以及非变频形式的《起重及冶金用电磁制动三相异步电动机技术条件》等的这些国家标准和行业标准中的技术性文件来进行试验[2]。

三、轻量化起重机中的高效变频电机的研究现状

（一）材料与设计的优化研究

在轻量化起重机内所应用的高效变频电机研究中，日本、德国以及法国的技术最为成熟。在这些国家的相关研究中发现，将质量优越的材料应用在此类变频电机的设计中，并对其设计方法和技术手段加以不断优化，便可在不改变有效材料的基础上实现单位功率质量的显著减轻。比如，在SIEMENS、企业中生产和研发的紧凑型高效变频电机，其中心轴高度都低于ABB企业以及国产ZYP企业产品2-3个等级，电机自身重量及其所占空间都实现了明显降低[3]。下表是SIEMENS、ABB以及YZP品牌高效变频电机各种功率规格下的中心轴高度对比情况：

（二）先进工艺技术的研究

随着近年来科学技术的不断发展，在国内外的轻量化起重机高效变频电机设计和研究中发现，将当今先进的工艺技术应用其中，不仅可实现其运行性能的显著提升，同时也可以进一步起升其外观质量。尤其是在噪声控制方面，先进工艺技术的应用更是取得了良好效果。具体研究中，SIEMENS作为国外的知名生产制造商，就提出了对电机内负载噪声进行测量的方法，并通过这种方法实现了此类高效变频电机相应性能的进一步提升，不仅使其噪声排放得以显著降低，同时也对其运行过程中的能耗降低起到了非常好的帮助作用[4]。

（三）电磁盘式制动器的应用

目前，在国外企业的轻量化起重机所用高效变频电机中，电磁盘形式的制动器已经在很多型号中得到了广泛应用，比如SIEMENS在进行此类高效变频电机的生产中，就将该变频器应用到了中心轴高度为80mm、100mm、132mm、160mm以及225mm的变频电机中，并对该制动器进行了升降电机的设置，其功率涵盖范围可达38KW，分4级，频率为75Hz[5]。该高效变频电机配套的轻量化起重机可具有40t的起重量。在国内，纽科伦以及凯澄等的葫芦生产制造企业都将ABM形电机用来进行葫芦驱动。

四、轻量化起重机中的高效变频电机的结构设计

（一）设计需求分析

因为此类电机尾部的制动器串接会对其产生一定程度的影响，所以在對其转子轴和端盖等的这些结构进行设计的过程中，需要对制动器接口的合理设计做到全面考虑，让盘式制动器的实际安装需求得以良好满足，并为其使用和维修提供足够便利。同时，在具体的设计过程中，也应该对制动器安装所造成的结构变化、对电机本身所产生的影响以及对轻量化起重机实际工作特征的具体要求加以充分考虑，尽最大限度避免制动器制动频繁热量过大对变频电机所产生的不利影响。另外，因为变频电机在轻量化起重机中属于动力部件，加之起重机的提升高度范围较大、荷载变化较大，所以变频器的调速范围也应该足够大，可适应起重机的正反转以及频繁的动作，且低频起动中的转矩和高频起动中的过载能力都应该足够大，这样才可以有效满足轻量化起重机的实际应用需求。

（二）三点起升机构设计

在轻量化起重机中，其起升机构通常为三支点形式，其运行机构通常为三合一形式，所以在具体设计中，一定要确保高效变频电机符合其配套需求。下图为轻量化起重机三支点起升机构的侧视结构示意图：

图1-轻量化起重机三支点起升机构的侧视结构示意图

在三支点形式的起升机构中，主要的组成部分有变频电机、联轴器、法兰套筒、锥形接收、减速器、小车架、卷筒、轴承座、减速器支座和支板[6]。变频电机主要借助于法兰套在减速器中的高速轴端箱体上固定好，并借助于联轴器实现其输出轴和减速器高速轴之间的连接，卷筒一端借助于带内花键形式的锥形接受连接到减速器低速轴上，其扭矩需要用手来传递，卷筒另一端则需要借助于轴承座在销差价上做好固定，这样便可达到良好的轴向对位效果。借助于支板，可以在小车架上做好减速器高速轴端的固定。在减速器高速轴端中的箱体上以及法兰套筒上，需分别进行法兰孔的设置，借助于这些法兰孔，就可以在减速器中的高速轴端箱体位置固定好法兰套筒。在锥形接手以及卷筒位置，都需要进行法兰板的设置，然后借助于螺栓来进行连接。

为确保连接效果，具体设计中，对于电机和减速器这两者之间，以及减速器和卷筒这两者之间，都需要设计为刚性连接。在三支点形式的起升机构中，高效变频电机的安装形式为B5悬挂式。因为电机自身重量会导致静荷载形成，所以对于减速器壳体也就具有一定的荷载要求。为实现这一荷载要求的有效降低，应该在确保电机自身力能指标不发生改变的情况下，尽量将其中心轴高度降低，这样便可实现其自身重量的最大化减轻，以此来实现整体电机功率密度的显著提升[7]。同时，在电机高速运行的情况下，由于振动等的这些动荷载会对减速器壳体产生作用，这样不仅会使其疲劳寿命缩短，也会降低起升机构的稳定性。所以在具体设计中，也需要对其高速运行状态下的振动量做好控制，尤其是对于共振问题，一定要根据实际情况及时加以解决。

（三）噪声控制设计

在轻量化起重机的起升机构中，高效变频电机是其主要的配套构件，同时也是该机构中的一个主要噪声来源。具体应用中，如果其噪声问题得不到有效解决，不仅会导致工作环境的恶化，同时也会进一步加大起重机的能量消耗。所以在具体设计中，设计人员应该将电机自身所固有的频率提升，或者是将径向振动力幅值降低。通过这样的方式，便可使其振动幅度得以良好控制，以此来有效降低此类电机的运行噪声，并使其能量消耗得以有效节约。

五、轻量化起重机中的高效变频電机发展方向

（一）多样化

伴随着科学技术的不断发展，越来越多的轻量化起重机开始投入生产和应用。因为生产厂家不同、型号不同，适用条件不同，这些轻量化起重机中所设置的高效变频电机也会具有一定程度的差异性。基于此，为有效适应不同类型的轻量化起重机，在此类高效变频电机的设计与研究中，技术人员需根据实际需求，将合理的变频控制器应用在其中，通过多样化的设计实现此类高效变频电机的多样化发展。

（二）小型化

在当今，起重机依然朝着更加轻量化和小型化的方向发展，所以可提供给变频电机的使用空间越来越有限，对于变频电机的质量和体型要求也就更加严格。因此，为有效适应轻量化起重机的发展步伐，满足其实际应用需求，在对高效变频电机的设计与研究中，应该在确保其应用性能的基础上进一步缩小其体积，减轻其质量，以此来实现其小型化的发展。

（三）自动化和智能化

目前，自动化和智能化技术已经在工程领域中得到了广泛应用，且其应用优势也十分显著。因此在对轻量化起重机中的高效变频电机进行设计和研究的过程中，技术人员一定要加强自动化和智能化技术的应用研究，通过自动化与智能化的控制来确保其运行效果。比如，可将PLC可编程形式的逻辑控制器应用其中，以此来实现整体变频电机乃至于轻量化起重机整机的运行控制，及时发现其异常情况，避免运行故障对变频电机或起重机的不利影响，尽最大限度确保其应用效果与安全。

结束语：

综上所述，在轻量化起重机的应用过程中，高效变频电机的应用效果将会对其工作质量、稳定性和安全性起直接的影响作用。因此，在轻量化起重机的生产制造中，相关企业和技术人员一定要充分注重高效变频电机的研究，通过功率密度、振动、噪声、外观、结构以及性能当方面的全面研究，使其得以不断的优化。同时也应该根据轻量化起重机的实际应用和发展需求来推动此类变频电机的发展。这样才可以有效促进高效变频电机在起重行业中的良好应用，为轻量化起重机的进一步发展奠定坚实的技术基础。

参考文献：

[1]李胜永，季禹，张悦.港口起重机变频电机智能安全监测装置设计[J].电气传动自动化，2020（03）：36-40.

[2]龚籽豪.起重机调速系统变频调速技术分析[J].南方农机，2019（20）：158.

[3]宁伟涛.PLC及变频器在港口起重设备上的运用分析[J].中国设备工程，2019（19）：148-149.

[4]杨恢明.紧凑型起重专用变频电机设计[J].起重运输机械，2018，（07）：88-91.

[5]张韦微，王朋辉，郝铖.轻量化起重机电机和制动器技术发展状况[J].起重运输机械，2018（04）：72-74.

[6]刘忠岱，蒋林峰.河南赛奥威科机电设备有限公司，.起重机运行变频电机高效节能技术研究[Z].项目立项编号：.鉴定单位：河南省科技厅.鉴定日期：2016-09-08

[7]王大会.基于变频工况的起重机工作机构动力学分析与研究[D].导师：文豪.太原科技大学，2016.