塔式起重机用大功率紧凑型变频电动机设计

汤 伟 王红星 关进军

1长航集团武汉电动机有限公司 武汉 430022 2中联重科建筑起重机械有限责任公司 长沙 415106

0 引言

塔式起重机是城市建设中利用较频繁的设备之一，在高层建筑施工中其幅度利用率比其他类型的起重机高，是工业与民用建筑中完成预制构件和其他建筑材料、工具等吊装工作的主要设备。随着我国建筑业的不断发展，建筑施工机械化水平不断提高，对塔式起重机的制造质量和整机技术水平的要求也越来越高，塔式起重机除满足安全、可靠的基本性能外，越来越趋向于轻量化、智能化及高效节能。

起升机构是塔式起重机重要的传动机构之一，要求重载低速、轻载高速、慢就位、调速范围大。为了提升塔式起重机起升机构的技术水平和档次，对于主起升电动机而言必须拥有较宽的调速范围、较快的系统响应能力。

某大型塔式起重机主起升变频电动机设计要求为：轴高280 mm、额定功率200 kW、防护等级IP55、基频转速700 r/min、最高速度2 900 r/min(调速比达到4倍以上)、基频100%负荷连续运行效率大于94%、温升不大于85 K，低速区140%额定载荷可正常起落载荷，无溜钩下滑现象。

塔式起重变频电动机设计既要兼顾低速磁路过饱问题，又要克服高速弱磁转矩能力不足的问题。同时电动机的调速比越大，电动机体积随之越大，如何降低电动机自身转动惯量，实现机构快速响应能力，是设计中需重点考虑的问题。

1 电磁设计

塔式起重变频电动机的工作频率并非固定不变，电磁设计时不是仅考虑电动机在某一频率点的运行性能，而是要保证电动机在较宽的频率段范围内都具有良好的运行性能。由于电动机可通过变频器实现变频变压软启动，具有良好的起动性能，在设计中不存在起动性能指标对设计的限制及对其他指标的约束，故可将设计重心放在基速工作点和最高速工作点。

对变频电动机有

式中：C为常数，f1、f2、TN1、TN2、U1、U2、K1、K2分别为基频（下标1）及高频（下标2）时的频率、额定转矩、电压、过载倍数。

由式（1）、式（2）可得

由于电动机在恒功率调速时变频前后电磁功率相等，即

若维持主磁通不变，即令U1=U2，则K2/K1=f1/f2，即恒功率段电动机的过载倍数随着频率作反比变化。因此，在电磁设计时如果满足了最高速时的过载倍数，往往会造成基速时过载倍数裕度过大，电动机体积需要加大，造成电动机在实际设计时非常困难。

该项目电动机的恒功率转速范围为700～2 900 r/min，速比(高速/基速)＝2 900/700＝4.14。如电动机过载能力在全波段保持1.5倍，则有

由此可知，若高速维持电压不变，则基速时电动机的过载倍数需达到6.2倍以上，在不改变电动机体积的情况下，电动机在基速及恒转矩段磁路将出现过饱和现象。因此，解决这种现象最好的办法是使变频输入电压在电动机基速下有一定保留，而在恒功率段电动机升速过程中使电压按一定规律升高到合适的电压。结合项目电动机要求，需对关键参数进行合理选取。

1.1 定转子槽数选择和槽配合

定转子槽配合不当，将有可能导致附加损耗、附加转矩、电磁振动与噪声增加，使电动机效率降低、温升加大，严重时出现启动困难。槽配合选择往往采用成熟的推荐值，异步电动机采用少槽-近槽配合，即转子槽数接近且少于定子槽数，可减少齿谐波磁通在铁心齿中产生的脉振损耗，对降低杂耗和温升比较有利。少槽-近槽配合容易产生电磁振动和噪声，也可能会产生同步附加转矩。根据经验，转定子槽数比在0.8～1时转子空载导条损耗最低，在1.1～1.2区间上升较快，超过1.2后急剧上升。

1.2 电动机绕组的选择

绕组是电动机的核心部分，电动机进行电磁转换都与绕组相关。相绕组磁动势波的傅里叶级数展开式为

相绕组磁动势中除了基波外，还含有3、5、7…奇次空间谐波。由于谐波磁动势的存在，交流电动机绕组中会感应出谐波电动势，产生谐波电流，从而引起附加损耗、振动、噪声，降低电动机效率。因此，在电动机设计时应研究低谐波含量磁势绕组，以提高电动机运行效率。双层同心式绕组是一种谐波含量低绕组方式，为了得到近似于正弦形的磁势曲线，适当地处理每槽线圈匝数，按正弦规律分布槽电流，可大幅度削弱3、5、7、…次高次谐波。

对三相磁势谐波进行分析，则有

式中：p为设电动机极对数；z为定子槽数；I为每相电流有效值；q为极相槽数；yi为各线圈节距，Ni为匝数，i＝（1，…，q-1，q）；N为每相绕组串联总匝数；τ为极距；Fν为ν次谐波磁势幅值；kyν为绕组ν次谐波短距系数；kqν为绕组ν次分布系数；kNν为绕组ν次谐波绕组系数。

从式(10)可以看出，谐波绕组系数变小，谐波磁势得到削弱。而同心式绕组各线圈中心线重合，每个线圈所产生磁动势的轴线没有位移，即同心式绕组的分布系数kqν=1，也就是说计算同心式绕组的绕组系数就是计算其短距系数，则有

由分析可知，三相双层同心式绕组的磁势幅值及其绕组系数均为各线圈匝数的函数，故可根据需要调整各线圈的匝数来降低高次谐波磁势的幅值。

绕组采用短距双层同心式(见图1)，定子槽Z=60，极对数p=2，极相槽数q=5，电角度α1=12°，绕组各相线圈及槽电流具体分布如图1a所示。其中A1、A2、A3、A4、A5分别为A相中从大到小的同心线圈，同理得B、C相。

图1 低谐波绕组磁势波形图

取A相电流达到最大值即IA=Im瞬间进行分析，此时IB＝IC＝-1/2IA＝-1/2Im，定子电流层按正弦曲线分布如图1b所示。槽电流沿圆周正弦分布规律，则有

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

解上述方程组，可得各个线圈的匝比为

N1:N1:N1:N1:N1=7.74 : 6.41 : 4.78 : 2.96 : 1

实际线圈绕制时，每组线圈不可能为小数，其取值应为整数，通过适当调整每槽匝数，分别对常规双层叠绕组和低谐波双层同心绕组进行对比分析（为了方便对比，2种方案绕组总匝数取值相同）。由表1可以看出，双层同心绕组高次谐波绕组系数明显低于双层叠绕组，由式(10)可说明双层同心绕组的高次谐波磁势得到了有效的削弱。

表1 谐波绕组系数对比

由表2可以看出，双层同心绕组杂撒损耗下降，电动机效率得到提升，电动机起动和过载能力得到加强，同时用铜量节省了约3 kg。因此，采用双层同心绕组方案不仅可节省材料，还能使电动机主要性能得到提升。

表2 设计参数对比

1.3 电磁、电流密度、热负荷的选取

项目电动机要求有较高的效率等级，电动机采用50W350低损耗的高牌号冷轧硅钢片，可大幅度降低铁损，提高功率密度，缩小电动机整体体积。由于变频器输出波形为非正弦波，考虑高次谐波会加深磁路饱和，另外考虑在低频时为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压，故主磁路应设计为不饱和状态。建议基速设计时齿磁通密度（以下简称磁密）不宜超过1.7 T，气隙磁密不宜超过0.75 T，磁路法计算电磁参数如表3所示。电动机为封闭结构，故采用强迫通风方案，经计算在高低转速下定转子电流密度（以下简称电密）值如表4所示。

表3 磁密与热负荷

表4 电密

电磁参数的选取应使每个频率点的转矩满足额定参数要求，低频起动点的起动参数，满足变频电源要求，最大发热因数满足温升限值，最高磁参数满足材料性能要求，最高频率点满足转矩倍数要求，额定点的效率、功率因数满足额定要求。

2 结构设计

根据项目要求电动机输出额定扭矩达到了2 729 N·m，若仍采用传统结构形式，电动机轴高需做到400 mm。本文采取方形硅钢片叠压铁芯来作为电动机骨架，用硅钢片代替原机座的空间，一方面增加了硅钢片的有效使用面积(导磁面积增加)，另一方面铁芯在促进电动机散热作用的同时还可保证电动机发热部分的有效冷却，进一步提高了电动机单体功率密度，可有效降低电动机中心高和转动惯量，提高控制系统的响应时间。具体结构如图2所示。

图2 电动机结构图

图2所示铁芯与端盖通过止口配合连接，止口内的封闭腔体把电动机绕组、转子、轴承很好地保护其中，电动机整体防护等级可以达到IP55。止口外的腔体可有效地形成通风道，通过离心风机产生风压，将外部冷空气压入铁芯风道，从而有效地带走电动机内部传导出来的热量，大幅度提高电动机功率密度，具体风路如图3所示。另外，由于4极电动机线圈跨距大，定子线圈端部厚而长，不利于线圈端部散热，可利用铸铝转子在其端环上铸造叶片，转子转动时铸铝叶片搅动空气，加快线圈端部的空气流通，起到局部散热效果，具体如图4所示。

图3 电动机冷却风路

图4 线圈端部结构示意图

传统的结构形式，风路是沿着机座散热片轴向流动，冷却风机导流罩受机座结构形式影响，延伸路径有限，导致气流出风罩导流口后扩散严重，冷却风量和风压下降比较厉害。另外，铁芯与机座接触面积有限，即热传导损能力差，电动机内部热量难以充分传递出来，导致冷却效率低，电动机功率密度难以提升。

塔式起重变频电动机调频范围广，对其振动和噪声要求较高。电动机各频段振动及机械、电磁噪声的控制不仅要有好的电磁方案设计，制造过程中的工艺手段保障也很关键。由于电动机整体骨架由方形硅钢片叠压成型，铁芯叠压质量的好坏不仅影响电动机性能，而且对整体结构尺寸有影响。冲片外须有直角定位，防止叠压扭曲，为了避免冲片单边毛刺的累计导致铁芯端面平行度超差，落料片在每30 mm高度左右旋转90°进行冲槽叠压，使得铁芯4个面的毛刺均匀，提高叠压系数。随着压装压力的增加，冲片的内应力相应增加。压强在30 MN/m2以下时，铁芯所产生的内应力实际上处于弹性变形范围，铁芯的内应力使铁芯的磁性能恶化，但在压力撤销后，磁性能又会改善。当压强为30 MN/m2时，内应力引起的单位损耗仅增加5%，压装压力增高时，不但造成磁滞损耗增加，而且随片间绝缘阻值的降低又将引起涡流损耗的增加，其后果远远超过由于弹性应力所引起的磁性能恶化。所以，压装时压力不能过度增大，需在合理范围内。

3 试验分析

塔式起重变频电动机试验主要关注2个问题，基速工况下温升和高速工况下的过载能力。试验值与设计值对比如表5所示。

表5 主要性能参数

塔式起重机用200 kW大功率紧凑型变频电动机，基速时设计热负荷值为1 712 A2/cm·mm2，通过温升试验检测，在基频100%负载下连续运行，定子绕组温升值稳定在82 K，效率94.36%，最高速时过载倍数为1.64，电动机整体性能符合项目要求。

4 结语

本文通过对塔式起重机专用起升变频电动机工作特点，阐述了如何设计宽调速比高紧凑型的变频电动机，通过合理的电磁设计，可保证电动机具有较宽广的调速范围，更好地满足塔式起重机使用工况。通过优化结构设计电动机功率密度在传统变频电动机基础上提高了3个等级，电动机转动惯量是常规电动机的60%，使得起升机构具备较快的系统响应能力，主机安全性能得到进一步的提升。