錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)軸向磁拉力測(cè)試的研究*

蘇文勝，百堅(jiān)毅，顧旭波，王欣仁，王傳軍

(1.國(guó)家橋門(mén)式起重機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇無(wú)錫 214174;2.上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063)

0 引言

錐形轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)機(jī)和制動(dòng)裝置合二為一的組合體，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，在電動(dòng)葫蘆等起重裝置中有廣泛應(yīng)用，該電機(jī)的特殊點(diǎn)在于存在軸向磁拉力。磁拉力特性曲線是錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)的重要性能指標(biāo)，軸向磁拉力是進(jìn)行磁拉力特性曲線試驗(yàn)中必須測(cè)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)之一。因此，磁拉力測(cè)試裝置是錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)生產(chǎn)制造企業(yè)、特種設(shè)備檢測(cè)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)等必備的測(cè)試設(shè)備。國(guó)家橋門(mén)式起重機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心由國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局批準(zhǔn)建立，主要開(kāi)展各類(lèi)橋式起重機(jī)、門(mén)式起重機(jī)的產(chǎn)品整機(jī)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)和起重機(jī)械重要部件檢驗(yàn)。中心根據(jù)國(guó)家法規(guī)和市場(chǎng)需求，研制了制動(dòng)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)包括錐形轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)在內(nèi)的制動(dòng)電機(jī)和普通電機(jī)開(kāi)展型式試驗(yàn)和產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)。對(duì)于相關(guān)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的軸向磁拉力測(cè)試項(xiàng)目，現(xiàn)有的磁拉力測(cè)試方法較為復(fù)雜，操作不便，設(shè)備制造成本較高。為此，國(guó)家橋門(mén)式超重機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心開(kāi)發(fā)了錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)軸向磁拉力測(cè)試裝置，并在實(shí)際試驗(yàn)中得以應(yīng)用，取得了滿意的測(cè)試結(jié)果。

1 錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)的工作原理

錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)與一般籠型異步電機(jī)不同的是:定子空腔和轉(zhuǎn)子外形都呈圓錐形，氣隙作圓錐形分布，具有停電自制動(dòng)的能力，廣泛用于電動(dòng)葫蘆、卷?yè)P(yáng)機(jī)等起重設(shè)備。圖1為一種較為常見(jiàn)的錐形轉(zhuǎn)子三相異步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖，該電機(jī)的制動(dòng)裝置由套在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的制動(dòng)彈簧、制動(dòng)輪和端蓋上的制動(dòng)環(huán)組成，轉(zhuǎn)子軸可在一定范圍內(nèi)作軸向竄動(dòng)。當(dāng)電機(jī)定子通電后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，同時(shí)產(chǎn)生軸向磁拉力，使轉(zhuǎn)子軸向移動(dòng)并壓縮制動(dòng)彈簧，使制動(dòng)輪的錐形環(huán)與端蓋上的制動(dòng)環(huán)分開(kāi)，轉(zhuǎn)子開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)定子斷電后，軸向磁拉力消失，轉(zhuǎn)子在制動(dòng)彈簧作用下，連同制動(dòng)輪一起復(fù)位，與端蓋上的制動(dòng)環(huán)接觸，產(chǎn)生摩擦力矩，迫使電機(jī)停轉(zhuǎn)。軸向磁拉力必須克服電動(dòng)機(jī)在工作狀態(tài)的彈簧壓力，才能正常工作。設(shè)計(jì)時(shí)，取軸向磁拉力略大于電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的彈簧壓力[1]。

圖1 典型錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)通電后，定、轉(zhuǎn)子之間的電磁吸力與電磁鐵對(duì)銜鐵吸力的性質(zhì)相同，作用方向垂直于轉(zhuǎn)子表面，如圖2所示，其大小可由麥克斯威爾吸力公式表示:

式中:F——垂直于轉(zhuǎn)子表面的磁吸力;

S——有效磁通的錐形截面積;

μ0——?dú)庀洞艑?dǎo)系數(shù)。

由于錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)工作氣隙比較小，漏磁通可以忽略。同時(shí)，試驗(yàn)在空載下進(jìn)行，磁路尚未飽和，導(dǎo)磁體的磁阻可忽略，將B=Φ/S代入式(1)中，可得

式中:Φ——?dú)庀洞磐俊?/p>

由磁路歐姆定律[2]可知:代入式(2)，可得

式中:NI——作用在定子鐵心上的安匝數(shù);

δ——電機(jī)工作氣隙總長(zhǎng)度。

于是，習(xí)慣了大手大腳的韓莎，不得不算計(jì)著過(guò)日子。星巴克沒(méi)了，西餐沒(méi)了，進(jìn)口水果也不敢買(mǎi)了，甚至買(mǎi)兩斤排骨，杜飛都要心疼半天。

電機(jī)空載時(shí)，輸入功率減去部分功率的損耗即為定子線圈的銅耗:UI－P耗=I2R，將

式中:U——試驗(yàn)時(shí)對(duì)電機(jī)所施加的電壓值;

I——試驗(yàn)時(shí)電機(jī)的電流值;

P耗——電機(jī)空載時(shí)的功率損耗值;

R——電機(jī)定子繞組的電阻值。

圖2 轉(zhuǎn)子受力結(jié)構(gòu)圖

由圖2可知:

由此可得軸向磁拉力為

式中:F磁——錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)的軸向磁拉力值;

D1——錐形轉(zhuǎn)子小圓端直徑;

D2——錐形轉(zhuǎn)子大圓端直徑;

α——錐形轉(zhuǎn)子鐵心錐度斜角。

2 軸向磁拉力的測(cè)試裝置開(kāi)發(fā)

對(duì)于滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子的軸向位置是固定的，軸向磁拉力作用在軸承上，影響軸承的使用壽命。對(duì)于滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)，由于轉(zhuǎn)子軸向位置不固定，就會(huì)引起軸向竄動(dòng)，對(duì)被拖動(dòng)設(shè)備造成沖擊，如果超過(guò)允許的竄動(dòng)量，也會(huì)對(duì)電機(jī)的軸瓦和軸肩造成沖擊甚至損壞[3]。因此，無(wú)論從應(yīng)用角度還是設(shè)計(jì)角度，了解軸向磁拉力的大小都是十分必要的。對(duì)于軸向磁拉力，以往沒(méi)有簡(jiǎn)便的測(cè)試方法，所以JB2102-84《CD1、MD1電動(dòng)葫蘆用錐形轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)此作出規(guī)定。隨著測(cè)試技術(shù)逐步完善，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求也提高了，部標(biāo)JB/ZQ8004-87《鋼絲繩電動(dòng)葫蘆產(chǎn)品質(zhì)量分等》中把軸向磁拉力規(guī)定為測(cè)試項(xiàng)目。一些最新版本的錐形轉(zhuǎn)子制動(dòng)電機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如JB/T 7562—2002《YEZX系列起重用錐形轉(zhuǎn)子制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件》和JB/T 10746—2007《YEZ系列建筑起重機(jī)械用錐形轉(zhuǎn)子制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件》的附錄中規(guī)定了磁拉力特性曲線的測(cè)試方法。本文借鑒這些方法，開(kāi)發(fā)了一種錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)軸向磁拉力測(cè)試裝置。測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示，由磁拉力傳遞部件、前后運(yùn)動(dòng)部件和壓力傳感器部件構(gòu)成。磁拉力傳遞部件由活絡(luò)頂針、固定套筒、固定塊、活動(dòng)頂桿、雙頭螺桿、底座組成。前后運(yùn)動(dòng)部件有絲桿座、絲桿、手輪組成。壓力傳感器部件由壓力傳感器、單頭螺桿、固定螺母組成。

圖3 磁拉力測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)圖

具體測(cè)試狀態(tài)示意圖如圖4所示。測(cè)試前先取出錐形轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)中的制動(dòng)彈簧，以確保電機(jī)轉(zhuǎn)子不受彈簧的壓緊力而能夠在軸向位置自由運(yùn)動(dòng)。將磁拉力測(cè)試裝置和被測(cè)試電機(jī)安裝在同一測(cè)試臺(tái)上，磁拉力測(cè)試裝置安裝于電機(jī)軸伸端，千分表磁性底座固定于測(cè)試臺(tái)上，頂針與電機(jī)軸的另一端接觸并準(zhǔn)確調(diào)零，確保被測(cè)試電機(jī)軸的中心高度與磁拉力測(cè)試裝置的中心高度一致。旋轉(zhuǎn)磁拉力測(cè)試裝置的手輪，通過(guò)絲桿和活動(dòng)導(dǎo)柱使活絡(luò)頂針沿軸向方向前后移動(dòng)?；罱j(luò)頂針與被測(cè)試電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸無(wú)摩擦接觸。

圖4 測(cè)試狀態(tài)示意圖

起動(dòng)電機(jī)前，先將磁拉力測(cè)試裝置中的壓力傳感器與外部二次儀表相連，通過(guò)電腦采樣電壓傳感器反饋的電壓值和由二次儀表所傳輸?shù)膲毫χ?。在額定電壓下起動(dòng)被測(cè)試電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子受軸向磁拉力作用沿軸向移動(dòng)并正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于千分表頂針置于電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的另一端，隨著轉(zhuǎn)子軸的軸向移動(dòng)而產(chǎn)生刻度的變化。旋轉(zhuǎn)磁拉力測(cè)試裝置的手輪，使活絡(luò)頂針頂住電機(jī)轉(zhuǎn)子向軸向磁拉力相反方向運(yùn)動(dòng)，并觀察千分表的刻度值，當(dāng)刻度值達(dá)到2.5 mm時(shí)，停止手輪的旋轉(zhuǎn)。將被測(cè)試電機(jī)的電壓從1.1～1.3倍的額定電壓逐步降低電壓測(cè)量7到9個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)處用電腦軟件記錄下此時(shí)的電壓值和磁拉力值。在2.5 mm處測(cè)試完畢后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)手輪，使千分表刻度值分別產(chǎn)生 2.0 mm、1.5 mm、1.0 mm、0.5 mm 的距離，重復(fù)前面的步驟測(cè)取 2.0 mm、1.5 mm、1.0 mm、0.5 mm各處每個(gè)點(diǎn)的電壓值和磁拉力值。測(cè)試結(jié)束后通過(guò)電腦軟件繪制出磁拉力特性曲線。

3 實(shí)際應(yīng)用及分析

將本裝置用于測(cè)試某電機(jī)廠JPKH10N型1.5 kW錐形轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的軸向磁拉力，得到其軸向磁拉力特性曲線，如圖5所示。該圖表示了電機(jī)在不同軸伸處軸向磁拉力與電壓的關(guān)系曲線。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，在相同軸伸處隨著所施電壓值的增加，電機(jī)的軸向磁拉力值也有所增加，并且不是線性增加，而是曲線略有上翹。由式(5)分析可知，軸向磁拉力值與所施電壓值成二次方關(guān)系，因此必將是呈上翹狀的曲線。在不同軸伸處對(duì)錐形轉(zhuǎn)子施加相同的電壓，隨著軸伸量的減小，剩余軸向磁拉力有所增加。從圖2和式(5)可知，隨著軸伸量的減小，磁力線通過(guò)定、轉(zhuǎn)子共同的軸向長(zhǎng)度L增加，因此剩余軸向磁拉力會(huì)有所增加。由此可見(jiàn)，實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論分析結(jié)論相吻合，測(cè)試結(jié)果令人滿意。

圖5 軸向磁拉力特性曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本測(cè)試裝置安裝電機(jī)和測(cè)試裝置方便快捷，采用數(shù)字化測(cè)試技術(shù)，能快速測(cè)出錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)的軸向磁拉力，獲取磁拉力特性曲線，較好地解決了錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)的軸向磁拉力測(cè)試問(wèn)題。通過(guò)實(shí)際測(cè)試和理論分析，驗(yàn)證了本裝置測(cè)試的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，可以為電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)和檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)提供參考。

[1]劉位炎.錐形轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)軸向磁拉力測(cè)試方法[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，1990(6):22-24.

[2]湯蘊(yùn)璆，羅應(yīng)立，梁艷萍.電機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3]崔劍，韓繼紅，金永利.淺談異步電動(dòng)機(jī)軸向磁拉力的計(jì)算與測(cè)量[J].防爆電機(jī)，1999(1):12-14.