一种高效高功率密度宽调速比起重变频电动机的设计_张岚清.pdf

2023.01建设机械技术与管理 71设计计算0 引 言变频电机作为调速系统中的驱动设备，广泛用于轻工、纺织、冶金、化工、起重、机床等行业需要调速的传动装置，特别在塔式起重行业的起升机构上得到了广泛的应用。但随着双碳目标的临近，为推进实施国家碳达峰、碳中和的战略性目标实施，贯彻新发展理念、构建新发展格局、推动高质量发展的内在要求主机厂对电机的运行效率、单位体积的功率密度、调速范围提出了新的要求。长航电机为践行新发展理念适应行业高质量发展要求着手研制了高效、调速比宽、功率密度高的起升变频电动机，我们对其设计的有关问题进行了探讨。本文将介绍该类变频电动机的特点和设计思路。1 高效高功率密度宽调速比起重变频电机的特点由于塔式起重机负载变化大，起升高度范围很大，其起升机构通常在额定转速以下采用恒转矩控制方式，适用于重载运行；而在额定转速以上采用恒功率控制方式，适用于轻载和空钩运行，运行过程中机构动态响应能力强，能实现精准控制，根据起升机构的特殊工况要求，起升用变频电动机应具备以下特点：（1）电动机结构紧凑，单位体积功率高。（2）电动机运行效率高。（3）电动机具有较宽的恒功率调速范围，且在高频恒功率弱磁调速时运行稳定。(4)电动机低频起动转矩足够大，动态响应能力强2 高效高功率密度宽调速比起重变频电机的设计高效高功率密度宽调速比变频电机就是通过高效的绕组和槽形设计再配合特殊高效的热传导结构来实现其性能，下面我想从以下几个主要方面谈谈起高效高功率密度宽调速比变频电机的设计：2.1 高效热传导结构设计2.1.1 电机壳体设计与制作铁芯设计：电机突破传统设计理念，利用定子铁芯作为外壳替代了铸铁机座，由于该电机不需要铸件机壳，减少了机座铸造时对资源的消耗和对环境的排放，从源头上实现了绿色制造，推进了双碳目标的有效实施。常规电机的冲片是圆形，周围的四个角料作为废料被冲掉了，该项目定子冲片采用方形片设计，在提高硅钢片材料利用率的同时增加了定子导磁的面积，另外在方形片的四个角上根据流体力学的原理设计出形状各异的通风孔，克服了传统电机通过机壳热传导向外散热效率低下的状况，再采用高压风机在定子铁芯内部形成强对流风压，这样对外通过热辐射和内部进行强对流使电机的热交换能力大幅提升，随着导磁面积的增加和热传导效率的增加电机的设计容量得以提高，再配合高效绕组的设计，该项目电机与常规的同极同功率电机相比中心高可以降低 3 个机座号以上，由于电机体积的减小，电机转子的重量也大幅降低，从而降低电机的一种高效高功率密度宽调速比起重变频电动机的设计The Design of a Hoist Variable Frequency Motor With High Efficiency,High Power Density and Wide Speed Ratio张岚清1 汤伟1 关进军2（1.长航集团武汉电机有限公司，湖北 武汉 430205；2.中联重科建筑起重机械有限责任公司，湖南 长沙 410205）摘要：分析了在双碳目标下起重变频电机的工作特点，针对这些特点介绍了高效、高功率密度、宽调速比的起重变频电机设计特点。关键词：变频调速；宽调速；高效；高功率密度；紧凑；绕组中图分类号：TM343+.3 文献标识码：A图 2 定子铁芯图图 1 冲片图DOI:10.13824/ki.cmtm.2023.01.00672 建设机械技术与管理 2023.01 设计计算转动惯量提高动态响应能力。2.1.2 风机的设计一般情况下，热量从发热体表面散发到周围介质中去主要是通过两种方式，一是辐射；二是借助于空气或其它冷却介质的对流，该项目采用离心风机强迫冷空气经后端盖的圆筒导流到流体冷却通道，通过强制对流来冷却散热，风量损失小，散热效率高。根据牛顿散热定律：QR=1RS=式中：R为散热表面到流体的热阻；为散热系数。当空气流速在 5 25 米/秒的范围内时，可表示为：00)(1k v+=式中：0为发热表面在平静空气中的散热系数、上式中取 16.7；v 为空气吹拂表面的速度；k0为考虑气流吹拂效率的系数、上式中取 1.3。该项目电机为封闭结构，采用强迫通风方案，我们可以设定电机极限温升，通过计算推导出风机电机最小通风量。风路示意图如下：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，降低电机效率。因此，在电机设计时应研究低谐波含量磁势绕组，以提高电机运行效率。定子绕组线圈采用同心式不等节距且不等匝的拓扑结构，为了得到近似于正弦形的磁势曲线，适当的处理每槽线圈匝数，根据谐波分析结果灵活调整，按正弦规律分布槽电流，从而可以大幅度削弱 5,7，次高次谐波。通过采用低谐波双层同心不等匝绕组技术，电机绕组杂撒损耗下降，电机效率得到提升，电机起动和过载能力得到加强。其定子绕组匝数可以根据正弦分布规律或谐波分析结果灵活选取，进而有效削弱5、7次等无用磁场谐波含量；当定子槽数为偶数且相轴位于两个相邻导体产生的磁动势矢量的中心时，每槽的导体数应为：Ni=Nmcos(i 0.5)式中，i 为距离相轴中心的槽号数，为每槽所占的电角度，Nm正弦绕组每槽导体幅值，Ni应为整数，而 v 次谐波的分布系数可以表示为：kqvm=N1cos(v/2)+N2cos(3v/2)+.+Nicosv/2(i 0.5)N1+N2+.+Ni当定子槽数为奇数且相轴位于一个导体产生的磁动势矢量的中心时，每槽的导体数为：Ni=Nmcos(i 1)Ni应为整数,v 次谐波的分布系数可以表示为：kqvm=N1+2N2cos(v)+.+2N2cosv(i 1)N1+N2+.+Ni以定子槽数为 60，基波极对数为 2 为例，则定子每槽所占的电角度为 12，取正弦绕组导体幅值 Nm=18，根据正弦绕组设计公式可以计算出各槽导体数。2.2.3 转子槽形设计为了减小低频转矩脉动关键之处是减小谐波的影响，一般来说我们通常使用的变频器均属电压型变频器，输出的电压波形非正弦形，因此谐波电压的大小取决于变频器，而谐波电流的大小则由负载电机的漏抗来限制，漏抗大的电机谐波电流小，使得电机电流波形峰值减小，谐波损耗也小，因而宜采用漏抗较大的转子槽形来削弱谐波的影响，三相异步电动机由于定、转子齿槽的存在，旋转时会产生脉振损耗。转子采用闭口槽，可削弱气隙谐波磁场的脉动，降低谐波磁场的损耗，提高电机效率。采用转子闭口槽，在降低电机的杂散损耗和铁耗的同时，会增加转子漏抗，造成功率因数、起动转矩和起动电流的变化。因此采用闭口槽时，应同时考虑诸性能数据的变化，使电机整体性能最优。2.3 宽调速比的选择和设计对一般常规变频电机来说，基频为 50Hz,1 50Hz 为图 3 风路示意图2.2 电磁设计2.2.1 电磁负荷的选择变频电动机的电磁负荷是在常规电机设计的范围内选取，为了控制由于谐波磁通引起的磁路饱和，特别是当运行在低速时采用不同压频比，更有可能造成磁路的饱和，另外在频率比较高时，降低 B可降低齿、轭的铁耗。所以一般还是设计得较低的磁通密度，这也有利于电磁噪声的降低。适当控制电磁负荷，保证变频电动机应有的效率和功率因数，同时应选用导磁性能更好，损耗更低的冷轧硅钢片，有利于提高磁负荷能力，减小温升。2.2.2 绕组设计电机工作是通过绕组的电磁转换进行，从而绕组就成为了电机最关键、最核心的部分。根据相绕组磁动势波的傅里叶级数展开式：()t1p22,tf5,3,1=COSCOSKINNA2023.01建设机械技术与管理 73设计计算恒转矩调速，50 100Hz 为恒转矩调速，恒功率的调速频率比为 1：2，近年来随着变频电机在不同行业的普及，用户对恒功率调速范围要求了越来越高，甚至有的恒功率的调速频率比达到了 1：4，基频设定为 25Hz，恒功率工作频率达到了 100Hz。该项目电机，恒功率调速范围 700 3750r/min，速比(高速/基速)高达=3750/700=5.4，如电机过载能力在全波段保持1.5倍，通过公式2211221ff=UUKK可知，若高速维持电压不变，在不考虑弱磁影响的情况下则基速时电机的过载倍数需达到 8 倍以上，在不改变电机体积的情况下，电机在基频时及恒转矩段磁路将出现过饱和现象。通过公式 U1 E1 4.44 fW1Kp1 可知，在调频过程中电机频率 f 不断升高，绕组磁通 会不断减小，频率升到一定值时电机会出现弱磁现象，为解决基极磁路饱和同时克服高频下弱磁现象，我们提出了高频弱磁电压补偿方案，通过低速磁路过饱和、高速弱磁转矩控制技术，将变频调速异步电机设计为在高速段恒功率区具有与额定转速下不同且更高的电压设计值，以保证异步电机在高速段具有较高的转矩输出及过载能力，实现扩大电机的调速范围。3 使用效果该项目电机已开始小批量进入市场使用，主要用于 32t以上塔机起升机构，客户反应良好，使用过程机构起升平稳、动态响应能力强，传动效率高，振动、噪声小，整体性能达到国外同类电机水平。4 结 语本文针对双碳目标下起重变频电机的性能和工况特点进行了简单的分析，提出了高效高功率密度宽调速比起重变频电动机的设计方案，并就这种电机的设计方案作了简单的阐述，从阐述中可以发现此种电机结构和性能都打破传统变频电机的结构和设计理念，拓宽了变频电机的应用领域。参考文献1 辜承林，陈乔夫.电机学 M.武汉：华中科技大学出版社,2005.2 陈世坤.电机设计 M.西安：西安交通大学出版社,2005.收稿日期：2022-11-30作者简介：张岚清，硕士，高级工程师，主要从事电机理论及工艺研究。当液压油温小于设定值时，表明液压油无需散热，可直接回油箱，对于极端寒冷环境，此方向可使液压系统尽快升温到最佳状态；当液压油温超过设定值，表明系统需要散热降温，油路应该经过散热器散热后再回油箱。上述液压回路的控制逻辑如图 7 所示：图 7 液压回路控制逻辑通过对相关控制参数：预热控制、起动机控制，蓄电池容量和冷却动电流、起动回路电缆的选型参数的匹配，以及液压回路控制的优化，使得机器起动成功率显著提升。本文所涉及的方案，实施成本较低，便于批量推广及后市场整改。本方案已在某机型上全面应用，市场销售量达数千台，经过三年多时间的运行验证，市场反馈良好。参考文献1 郑永明，闵浪，李世峰.改善汽车柴油发动机高原起动性能的实验分析 J.自然科学研究，2020（5）：265-266.2 卢春霖，彭兴德，严德富.挖掘机起动回路的设计方法研究 J.内燃机与配件,2020（12）：124-126.3 杜巍，黄伟伟，何圣华，刘福水.进气预热对柴油机起动过程动力性影响的试验分析 J.专用发动机，2015（2）：28-32.收稿日期：2022-11-01作者简介：张成兰，硕士，工程师，主要从事挖掘机电气系统应用研究。经此优化后，液压系统在起动时，对起动机负载减至最小，提高起机效率。作业时能尽量保证在最佳温度附近，提高作业效率。7 结 论本文设计了一种能提升极端环境下的起动性能的方法，（上接 70 页）