淺談輕量化起重機中的高效變頻電機及其發(fā)展

王國柱

摘要：伴隨著當今社會經(jīng)濟與科學技術的協(xié)同發(fā)展，起重機也逐漸實現(xiàn)了輕量化。而在輕量化起重機中，高效變頻電機是一項至關重要的配套設施，只有對高效變頻電機加以深入研究，使其結構得以科學設計，并實現(xiàn)其多樣化、小型化、自動化以及智能化的發(fā)展，才可以為輕量化起重機的應用與發(fā)展提供足具科學性的技術支撐。基于此，本文就對輕量化起重機中所應用的高效變頻電機及其發(fā)展進行分析，包括此類變頻電機的概述、相關的標準規(guī)定、研究現(xiàn)狀、結構設計以及發(fā)展方向。希望通過本次的研究與分析，可以讓高效變頻電機在輕量化起重機中得以科學應用，以此來進一步促進此類高效變頻器與輕量化起重機的良好應用與發(fā)展。

關鍵詞：輕量化起重機;高效變頻器;結構設計;發(fā)展方向

引言：在當今，輕量化形式的起重機已經(jīng)在工程領域中得以良好應用，并憑借著材料和能源等的顯著節(jié)約而發(fā)揮出了非常好的應用方式，其發(fā)展前景也是一片光明。在此類起重機中，變頻電機是一項最為重要的配套構件，其技術水平也將會對整體起重機的應用性能起到直接的影響作用。因此，在對輕量化起重機進行應用和研究的過程中，相關企業(yè)和技術人員一定要加大力度對應用在其中的變頻電機進行研究，通過先進的技術措施來保障變頻電機的高效性。這樣才可以滿足輕量化起重機的實際應用與發(fā)展需求，使其在工程領域中發(fā)揮出充分的技術優(yōu)勢，在確保其應用質量的基礎上實現(xiàn)材料和能源的最大化節(jié)約。

一、輕量化起重機中的高效變頻電機概述

就目前的輕量化門式起重機來看，其變頻電機主要應用的是YZP這一系列的起重和冶金三相異步變頻調速電動機，它是輕量化起重機中所配置的主要高效變頻電機類型。目前，此類高效變頻電機的技術已經(jīng)十分成熟，市場占有率十分可觀，且價格也比較合理。作為一種新型的高效變頻電機產(chǎn)品，該變頻電機具有很寬的調速范圍，很小的能耗，啟動、制動和速度切換過程中所產(chǎn)生的沖擊很小，且能夠實現(xiàn)高精度的吊重定位，技術優(yōu)勢十分顯著，在輕量化起重機中具有很大的潛在使用規(guī)模。

二、輕量化起重機中的高效變頻電機的標準規(guī)定

就目前來看，針對輕量化起重機中所應用到的高效變頻電機，我國已經(jīng)制定了相應的標準規(guī)定，比如《ZYE系列起重及冶金用電磁制動三相異步電動機技術條件》JB/T 7563-2005以及《YZRE系列起重及冶金用電磁制動繞線轉子三相異步電動機技術條件》JB/T 7077-2002等[1]。但是對于電磁制動形式的高效變頻電機，我國目前依然不具備足夠完勝的技術標準，仍需進一步進行相關標準的制定。

在當今，很多中小功率形式的電磁制動型變頻電機生產(chǎn)技術已經(jīng)十分成熟，其產(chǎn)品也在很多企業(yè)中投入了規(guī)?；纳a(chǎn)，并在起重行業(yè)中得到了越來越廣泛的應用，在國外，ABB以及SIEMENS等的專業(yè)化電機生產(chǎn)企業(yè)，以及ABN、FLWNDER、NORD、SEW等的傳動設備生產(chǎn)制造企業(yè)中，都進行了此類變頻電機的生產(chǎn)制造;在國內，佳木斯電機股份有限公司、無錫新大力電機公司、長江航運集團等都進行了此類變頻電動機的開發(fā)，包括YZPE型電機以及YZPFE型電機等。但是因為相關的技術標準不夠統(tǒng)一，所以各國生產(chǎn)企業(yè)大多根據(jù)企業(yè)內部標準來進行此類變頻電機的設計與生產(chǎn)。

對于起重機械試驗而言，因其專項技術方面的相關標準不足，所以只能夠根據(jù)非變頻形式的《起重及冶金用變頻調速三相異步電動機》以及非變頻形式的《起重及冶金用電磁制動三相異步電動機技術條件》等的這些國家標準和行業(yè)標準中的技術性文件來進行試驗[2]。

三、輕量化起重機中的高效變頻電機的研究現(xiàn)狀

（一）材料與設計的優(yōu)化研究

在輕量化起重機內所應用的高效變頻電機研究中，日本、德國以及法國的技術最為成熟。在這些國家的相關研究中發(fā)現(xiàn)，將質量優(yōu)越的材料應用在此類變頻電機的設計中，并對其設計方法和技術手段加以不斷優(yōu)化，便可在不改變有效材料的基礎上實現(xiàn)單位功率質量的顯著減輕。比如，在SIEMENS、企業(yè)中生產(chǎn)和研發(fā)的緊湊型高效變頻電機，其中心軸高度都低于ABB企業(yè)以及國產(chǎn)ZYP企業(yè)產(chǎn)品2-3個等級，電機自身重量及其所占空間都實現(xiàn)了明顯降低[3]。下表是SIEMENS、ABB以及YZP品牌高效變頻電機各種功率規(guī)格下的中心軸高度對比情況：

（二）先進工藝技術的研究

隨著近年來科學技術的不斷發(fā)展，在國內外的輕量化起重機高效變頻電機設計和研究中發(fā)現(xiàn)，將當今先進的工藝技術應用其中，不僅可實現(xiàn)其運行性能的顯著提升，同時也可以進一步起升其外觀質量。尤其是在噪聲控制方面，先進工藝技術的應用更是取得了良好效果。具體研究中，SIEMENS作為國外的知名生產(chǎn)制造商，就提出了對電機內負載噪聲進行測量的方法，并通過這種方法實現(xiàn)了此類高效變頻電機相應性能的進一步提升，不僅使其噪聲排放得以顯著降低，同時也對其運行過程中的能耗降低起到了非常好的幫助作用[4]。

（三）電磁盤式制動器的應用

目前，在國外企業(yè)的輕量化起重機所用高效變頻電機中，電磁盤形式的制動器已經(jīng)在很多型號中得到了廣泛應用，比如SIEMENS在進行此類高效變頻電機的生產(chǎn)中，就將該變頻器應用到了中心軸高度為80mm、100mm、132mm、160mm以及225mm的變頻電機中，并對該制動器進行了升降電機的設置，其功率涵蓋范圍可達38KW，分4級，頻率為75Hz[5]。該高效變頻電機配套的輕量化起重機可具有40t的起重量。在國內，紐科倫以及凱澄等的葫蘆生產(chǎn)制造企業(yè)都將ABM形電機用來進行葫蘆驅動。

四、輕量化起重機中的高效變頻電機的結構設計

（一）設計需求分析

因為此類電機尾部的制動器串接會對其產(chǎn)生一定程度的影響，所以在對其轉子軸和端蓋等的這些結構進行設計的過程中，需要對制動器接口的合理設計做到全面考慮，讓盤式制動器的實際安裝需求得以良好滿足，并為其使用和維修提供足夠便利。同時，在具體的設計過程中，也應該對制動器安裝所造成的結構變化、對電機本身所產(chǎn)生的影響以及對輕量化起重機實際工作特征的具體要求加以充分考慮，盡最大限度避免制動器制動頻繁熱量過大對變頻電機所產(chǎn)生的不利影響。另外，因為變頻電機在輕量化起重機中屬于動力部件，加之起重機的提升高度范圍較大、荷載變化較大，所以變頻器的調速范圍也應該足夠大，可適應起重機的正反轉以及頻繁的動作，且低頻起動中的轉矩和高頻起動中的過載能力都應該足夠大，這樣才可以有效滿足輕量化起重機的實際應用需求。

（二）三點起升機構設計

在輕量化起重機中，其起升機構通常為三支點形式，其運行機構通常為三合一形式，所以在具體設計中，一定要確保高效變頻電機符合其配套需求。下圖為輕量化起重機三支點起升機構的側視結構示意圖：

圖1-輕量化起重機三支點起升機構的側視結構示意圖

在三支點形式的起升機構中，主要的組成部分有變頻電機、聯(lián)軸器、法蘭套筒、錐形接收、減速器、小車架、卷筒、軸承座、減速器支座和支板[6]。變頻電機主要借助于法蘭套在減速器中的高速軸端箱體上固定好，并借助于聯(lián)軸器實現(xiàn)其輸出軸和減速器高速軸之間的連接，卷筒一端借助于帶內花鍵形式的錐形接受連接到減速器低速軸上，其扭矩需要用手來傳遞，卷筒另一端則需要借助于軸承座在銷差價上做好固定，這樣便可達到良好的軸向對位效果。借助于支板，可以在小車架上做好減速器高速軸端的固定。在減速器高速軸端中的箱體上以及法蘭套筒上，需分別進行法蘭孔的設置，借助于這些法蘭孔，就可以在減速器中的高速軸端箱體位置固定好法蘭套筒。在錐形接手以及卷筒位置，都需要進行法蘭板的設置，然后借助于螺栓來進行連接。

為確保連接效果，具體設計中，對于電機和減速器這兩者之間，以及減速器和卷筒這兩者之間，都需要設計為剛性連接。在三支點形式的起升機構中，高效變頻電機的安裝形式為B5懸掛式。因為電機自身重量會導致靜荷載形成，所以對于減速器殼體也就具有一定的荷載要求。為實現(xiàn)這一荷載要求的有效降低，應該在確保電機自身力能指標不發(fā)生改變的情況下，盡量將其中心軸高度降低，這樣便可實現(xiàn)其自身重量的最大化減輕，以此來實現(xiàn)整體電機功率密度的顯著提升[7]。同時，在電機高速運行的情況下，由于振動等的這些動荷載會對減速器殼體產(chǎn)生作用，這樣不僅會使其疲勞壽命縮短，也會降低起升機構的穩(wěn)定性。所以在具體設計中，也需要對其高速運行狀態(tài)下的振動量做好控制，尤其是對于共振問題，一定要根據(jù)實際情況及時加以解決。

（三）噪聲控制設計

在輕量化起重機的起升機構中，高效變頻電機是其主要的配套構件，同時也是該機構中的一個主要噪聲來源。具體應用中，如果其噪聲問題得不到有效解決，不僅會導致工作環(huán)境的惡化，同時也會進一步加大起重機的能量消耗。所以在具體設計中，設計人員應該將電機自身所固有的頻率提升，或者是將徑向振動力幅值降低。通過這樣的方式，便可使其振動幅度得以良好控制，以此來有效降低此類電機的運行噪聲，并使其能量消耗得以有效節(jié)約。

五、輕量化起重機中的高效變頻電機發(fā)展方向

（一）多樣化

伴隨著科學技術的不斷發(fā)展，越來越多的輕量化起重機開始投入生產(chǎn)和應用。因為生產(chǎn)廠家不同、型號不同，適用條件不同，這些輕量化起重機中所設置的高效變頻電機也會具有一定程度的差異性?；诖耍瑸橛行нm應不同類型的輕量化起重機，在此類高效變頻電機的設計與研究中，技術人員需根據(jù)實際需求，將合理的變頻控制器應用在其中，通過多樣化的設計實現(xiàn)此類高效變頻電機的多樣化發(fā)展。

（二）小型化

在當今，起重機依然朝著更加輕量化和小型化的方向發(fā)展，所以可提供給變頻電機的使用空間越來越有限，對于變頻電機的質量和體型要求也就更加嚴格。因此，為有效適應輕量化起重機的發(fā)展步伐，滿足其實際應用需求，在對高效變頻電機的設計與研究中，應該在確保其應用性能的基礎上進一步縮小其體積，減輕其質量，以此來實現(xiàn)其小型化的發(fā)展。

（三）自動化和智能化

目前，自動化和智能化技術已經(jīng)在工程領域中得到了廣泛應用，且其應用優(yōu)勢也十分顯著。因此在對輕量化起重機中的高效變頻電機進行設計和研究的過程中，技術人員一定要加強自動化和智能化技術的應用研究，通過自動化與智能化的控制來確保其運行效果。比如，可將PLC可編程形式的邏輯控制器應用其中，以此來實現(xiàn)整體變頻電機乃至于輕量化起重機整機的運行控制，及時發(fā)現(xiàn)其異常情況，避免運行故障對變頻電機或起重機的不利影響，盡最大限度確保其應用效果與安全。

結束語：

綜上所述，在輕量化起重機的應用過程中，高效變頻電機的應用效果將會對其工作質量、穩(wěn)定性和安全性起直接的影響作用。因此，在輕量化起重機的生產(chǎn)制造中，相關企業(yè)和技術人員一定要充分注重高效變頻電機的研究，通過功率密度、振動、噪聲、外觀、結構以及性能當方面的全面研究，使其得以不斷的優(yōu)化。同時也應該根據(jù)輕量化起重機的實際應用和發(fā)展需求來推動此類變頻電機的發(fā)展。這樣才可以有效促進高效變頻電機在起重行業(yè)中的良好應用，為輕量化起重機的進一步發(fā)展奠定堅實的技術基礎。

參考文獻：

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[7]王大會.基于變頻工況的起重機工作機構動力學分析與研究[D].導師：文豪.太原科技大學，2016.