钢丝绳电动葫芦用高效圆柱转子平面制动电机应用研究_王松雷.pdf

CONSTRUCTION MACHINERY 67SPECIAL RESEARCH专题研究钢丝绳电动葫芦用高效圆柱转子 平面制动电机应用研究王松雷1，2，刘 方3（1.江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院，江苏 无锡 214171；2.国家桥门式起重机械产品质量检验检测 中心，江苏 无锡 214174；3.浙江双鸟起重设备有限公司，浙江 绍兴 312455）摘要本文介绍了传统的钢丝绳电动葫芦用锥形转子制动电机的结构和特点，提出了一种定子和转子均为圆柱形结构、外接电磁圆盘式制动器的圆柱转子平面制动电机，其安装尺寸和主要参数与锥形转子制动电机完全相同，两者可以直接互换。分析了新型电机的结构特点、性能优势，试验验证了该电机应用在电动葫芦上的效果，分析和展望了其应用前景，为钢丝绳电动葫芦的性能和能效提升及特殊环境工况下使用提供了可行性方案。关键词钢丝绳电动葫芦；圆柱转子平面制动；锥形转子制动电机；电磁圆盘式制动器中图分类号TH211.3 文献标识码B 文章编号1001-554X（2023）02-0067-05Research on application of high efficiency cylindrical rotor plane brake motor for wire rope electric hoist WANG Song-lei，LIU Fang传统的钢丝绳电动葫芦均采用锥形转子制动电机作为起升和运行机构的动力驱动装置，该电机的定子腔体、转子和制动装置均为圆锥形，截面尺寸各不相同，不便于实现加工和装配自动化，生产效率低1。工作过程中制动和开闸时转子整体轴向窜动，功率因数低，效率低，机械冲击大，噪声大，散热能力差，接电持续率低2。该电机自20世纪50年代随钢丝绳电动葫芦引入中国至今一直在使用，工艺较为成熟，安全可靠，应用广泛，成本相对较低。随着近年来电动葫芦的应用越来越广泛，高速、高效、节能、环保、安全、智能等要求越来越高，对电动葫芦用电机提出了更高的要求，圆柱转子平面制动的电机应运而生3。它不需要改变传统钢丝绳电动葫芦的结构和运行参数，能直接替换传统的锥形转子制动电机，从而达到提高传统电动葫芦的操作频率、制动平稳性、降低噪声、降低能耗等效果，具有很好的应用前景。1 传统的锥形转子制动电机1.1 锥形转子制动电机的结构原理锥形转子制动电机其定子内腔和转子外形均为圆锥形，转子的每一个矽钢片直径都不相同，制动弹簧只有一根，制动轮和摩擦片均为环状的圆锥面结构。电机定子通电后产生旋转磁场，同时由于锥形结构而产生轴向磁拉力，使转子轴向移动并压并弹簧，使风扇制动轮与锥形摩擦片分离，制动消失，转子开始转动，电机运行。定子断电后，旋转磁场和轴向磁拉力消失，电机转矩消失，转子在弹簧作用下连同风扇制动轮一起复位，使风扇制动轮压紧在摩擦片上产生摩擦力矩，使电机减速停止实现制动。锥形转子制动电机的结构如图1所示。1.2 锥形转子制动电机的特点（1）定子内腔、转子外形均为圆锥形，定子鼠笼式，转子的每片矽钢片直径都不相同4。（2）电机的启动和停止，电机转子都会轴向运动，同时伴随着产生机械冲击和噪声。（3）制动轮、摩擦片都是环形锥面结构。（4）锥形转子制动电机的转子和定子之间气 DOI:10.14189/ki.cm1981.2023.02.006收稿日期2022-08-11通讯地址王松雷，江苏省无锡市惠山区堰新路330号专题研究SPECIAL RESEARCH68 建筑机械定子制动弹簧后盖风扇制动轮转子图1 锥形转子制动电机图隙大，造成同等功率条件下，锥形电机电流大，发热量大，损耗大，能效低。（5）散热条件差，负载持续率低。（6）锥形电机转子需要轴向移动，造成轴承寿命比普通电机短。（7）转子轴向窜动，制动冲击大，制动不够平稳。（8）瞬时制动力矩大，电动葫芦传动系统和电机断轴几率大。（9）防护等级低，一般为IP42或IP44。（10）绝缘等级低，一般为B级绝缘。（11）工艺成熟，制造成本低。1.3 锥形转子制动电机的局限性锥形转子制动电机的固有特性限制了钢丝绳电动葫芦性能的提升。（1）效率低。锥形转子制动电机电气间隙大，损耗高，并且消耗的电能一部分转化为了电机的转矩，一部分转化为了轴向磁拉力，使得能效 较低。（2）启、制动时噪声大。启、制动时伴随着转子的轴向运动，机械冲击产生较大的噪声。（3）接电持续率低，工作效率低。锥形转子制动电机的轴向运动特性和较大的电气间隙决定了其接电持续率较低，一般不高于40%，影响工作 效率。（4）无法实现智能制动控制。制动的平稳性和制动下滑量取决于电机制动初转速和制动器上闸时机的选择。GB/T 3811-2008起重机设计规范以及经验设计都是启动时电机先启动，制动器延时开闸；制动时制动器提早断电上闸，这样以减小制动下滑量并减少制动器磨损，延长制动器使用寿命。在变频控制的场合，更要将电机的运行控制和制动器的开闭控制单独分开，以实现电机和制动器的工作配合。锥形转子制动电机没有单独的制动器，只能与电机同步工作，不能实现单独的控制。2 圆柱转子平面制动电机的结构圆柱转子平面制动电机是相对于锥形转子制动电机而言的，它主要由主轴、圆柱形定子、圆柱形转子、前端盖、平面电磁圆盘式制动器等组成，如图2所示。电磁圆盘式制动器由平面圆盘型的刹车盘、平面圆盘型的摩擦片、磁轭、衔铁、制动线圈、整流控制器等组成，摩擦副为平面接触。主轴前端盖后端盖线圈刹车盘衔铁铁芯风罩风扇转子定子图2 铝壳圆柱转子平面制动电机结构图3 圆柱转子平面制动电机的特点圆柱转子平面制动电机前端盖、安装螺栓孔分部以及输出轴的结构及尺寸与同功率的锥形转子制动电机完全一样；转速和机座号与锥形转子电动机也完全一样，两者可以直接互换，不改变电动葫芦的结构和参数。但是圆柱转子平面制动电机也有其独特的优点：（1）圆柱形定子、圆柱形转子，加工、制造便于实现自动化、流水线生产。（2）无轴向窜动，中间轴、联轴器故障率低，使用寿命长。（3）外接直流电磁圆盘式制动器，便于模块化生产，可以实现快速制动。（4）外形小巧、美观、不生锈。（5）铝制外壳，散热条件好，温升低，接电CONSTRUCTION MACHINERY 692023/02总第564期持续率高，可以长时间运行。（6）节能高效。采用圆柱电机、直流电磁制动器，电机效率比同功率锥形转子电机高11.5%以上。（7）制动器动作响应快，电动葫芦制动下滑量小。（8）电机起、制动平稳，噪声小。（9）绝缘等级和防护等级高，环境适应 性强。以功率7.5kW、极数4、转速1440r/min的电机为例，圆柱转子平面制动电机与锥形转子制动电机的额定参数对比如表1所示。表1 额定参数对比项目圆柱转子平面制动电机锥形转子制动电机功率/kW7.57.5电源AC380V 50HzAC380V 50Hz接线方式YY转速/（r/min）14401400制动力矩/Nm98107额载电流/A15.418接电持续率/%6025绝缘等级F级B级防护等级IP55IP44制动器控制独立控制同步控制制动器结构平面锥形制动器开闸动力直流电磁铁旁磁制动器与电机连接外接一体动作频率/（次/h）900240机壳铸铁铝转子实心转子绕线转子4 试验研究4.1 实验室试验结果以功率7.5kW、极数4的锥形转子制动电机和圆柱转子平面制动电机为例，经过国家电机检测中心实测，负载试验曲线如图3和图4所示。1969.400.20.40.60.81,cos ,S3081.940734950.66542.88264.89102.610347.4P2(W)图3 锥形转子电机负载曲线1987.53129.63867.246046134.27598.98729.49482.7P2(W)00.20.40.60.81,cos ,S图4 圆柱转子电机负载曲线主要参数测试结果如表2所示。表2 7.5kW圆柱转子平面制动电机试验结果项目圆柱转子平面制动电机锥形转子制动电机制动力矩/Nm115110堵转电流/A111.6120.6功率因数0.8720.781效率/%87.177.5最大转矩/Nm159.8138.1堵转转矩/Nm150.7132.8温升/K47.167.2从图3、图4以及表1和表2可以看出，圆柱转子平面制动电机的制动力矩更大、堵转电流更小、最大转矩和堵转转矩更大、温升更低、能效更高，能效超过行业标准JB/T 13357-2018起重机械用制动电动机 能效限额表2中1级能效86.2%的限额，达到1级能效要求，高出1级能效0.9个百 分点5。4.2 试验结果分析从上述的试验结果可以看出：（1）圆柱转子平面制动电机制动效果更好。专题研究SPECIAL RESEARCH70 建筑机械由于直流电磁圆盘式制动器的制动力矩大、上闸响应快、平面摩擦，使得电动葫芦制动下滑量小、制动平稳、制动冲击小、制动噪声低，并且制动器使用寿命长。（2）圆柱转子平面制动电机能效高。同功率的电机相比，圆柱转子平面制动电机比锥形转子制动电机能效高出9.1个百分点，高了11.65%，节能优势明显。（3）圆柱转子平面制动电机的温升更低。圆柱转子电机的绕线转子结构和铝壳结构及材质，使得电机的发热量较低，散热较好，温升更低，便于电机接电持续率的提高，甚至可以长时间运行。（4）转矩更大。同功率的圆柱转子平面制动电机与锥形转子制动电机相比，最大转矩高15.7%、堵转转矩高13.48，使得圆柱转子平面制动电机更适合于起重场合，更符合起重电机启动转矩大、负载电流小的理想工况。5 结构及外观对比圆柱转子平面制动电机与锥形转子制动电机在外观和结构上也具有明显优势，具体对比如表3所示。6 圆柱转子平面制动电机在电动葫芦上的应用（1）用于起升机构。圆柱转子平面制动电机与同功率的锥形转子制动电机具有同样的法兰安装尺寸，同样的螺栓孔分部和输出轴尺寸，不需要任何改变，可以直接替换同功率的锥形转子制动电机，用于钢丝绳电动葫芦起升机构。电磁圆盘式制动器通过整流器直接接电动葫芦控制箱的交流电，也可以直接接控制箱的直流电源。制动器和电动机独立控制，实现制动器的快速制动和智能控制。以额定起重量5t、起升速度8m/min的圆柱转子平面制动电动葫芦为例，经过实测，制动时间小于0.2s，制动下滑量2mm左右，能效75.96%，达到标准JB/T 12745-2016电动葫芦能效定额规定的1级能效。同样额定起重量5t、起升速度8m/min的锥形转子电动葫芦，能效值实测为72%，2级能效。表3 圆柱转子电机和锥形转子电机结构对比圆柱转子电机锥形转子电机外形铝制外壳外观精美，不用喷漆，无污染，重量轻，体积小，散热快，耐腐蚀，永不生锈。外形铁制外壳外观粗糙，体积笨重，喷漆易脱落。电磁制动器刹车片精细，制作精度高，接触面积大，制动力矩大，速度快，寿命长，常年使用不用调整，下滑量很低。锥形制动器刹车片接触面积小，制动力矩小，下滑量大，需要经常调整维修。硅钢片压制定子采用冷轧高硅钢超薄多层高模压定子，减少涡流损耗，采用特殊工艺，使功率输出更强劲。鼠笼式定子磁通面积小，涡流损耗大，消耗电能多，输出功率低。F及 铜线使用F等级铜线7kg，槽满率利用度较高，功率因数高，磁通大功率强，耐电流冲击，耐高温达155，更节能。B级铜线使用B等级5kg左右铜线，槽满率75%，耐温130，功率因数低，容易发热。（2）用于运行机构。可以用于运行机构，直接替代同功率的运行机构锥形转子制动电机。也可以将前端盖加工成平面圆盘式结构（如图5所示），可以直接代替软启动运行电机，实现节能效果。图5 圆盘端面圆柱转子平面制动电机（3）铁壳圆柱转子平面制动电机。除了上述铝壳的圆柱转子平面制动电机，电机外壳材质也可以采用铁壳，以便与普通的锥形转子制动电机在外观上更为相似。CONSTRUCTION MACHINERY 712023/02总第564期3 结论本文通过一系列实验对水泥处理的RAP+QW混合料作为公路路面材料的适用性进行了检测。（1）随着QW和水泥的加入，经水泥处理的RAP+QW共混物的粒度分布得到改善，属于级配良好的砂砾