錐形轉子電機軸向磁拉力測試的研究*

蘇文勝，百堅毅，顧旭波，王欣仁，王傳軍

(1.國家橋門式起重機械產品質量監督檢驗中心，江蘇無錫 214174;2.上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司，上海 200063)

0 引言

錐形轉子電動機是電動機和制動裝置合二為一的組合體，其結構緊湊、體積小、重量輕，在電動葫蘆等起重裝置中有廣泛應用，該電機的特殊點在于存在軸向磁拉力。磁拉力特性曲線是錐形轉子電機的重要性能指標，軸向磁拉力是進行磁拉力特性曲線試驗中必須測定的試驗數據之一。因此，磁拉力測試裝置是錐形轉子電機生產制造企業、特種設備檢測試驗機構等必備的測試設備。國家橋門式起重機械產品質量監督檢驗中心由國家質量監督檢驗檢疫總局批準建立，主要開展各類橋式起重機、門式起重機的產品整機質量監督檢驗和起重機械重要部件檢驗。中心根據國家法規和市場需求，研制了制動電機試驗臺，對包括錐形轉子電動機在內的制動電機和普通電機開展型式試驗和產品質量檢驗。對于相關電機標準中規定的軸向磁拉力測試項目，現有的磁拉力測試方法較為復雜，操作不便，設備制造成本較高。為此，國家橋門式超重機械產品質量監督檢驗中心開發了錐形轉子電機軸向磁拉力測試裝置，并在實際試驗中得以應用，取得了滿意的測試結果。

1 錐形轉子電機的工作原理

錐形轉子電機與一般籠型異步電機不同的是:定子空腔和轉子外形都呈圓錐形，氣隙作圓錐形分布，具有停電自制動的能力，廣泛用于電動葫蘆、卷揚機等起重設備。圖1為一種較為常見的錐形轉子三相異步電機結構圖，該電機的制動裝置由套在電機轉子軸上的制動彈簧、制動輪和端蓋上的制動環組成，轉子軸可在一定范圍內作軸向竄動。當電機定子通電后，產生旋轉磁場，同時產生軸向磁拉力，使轉子軸向移動并壓縮制動彈簧，使制動輪的錐形環與端蓋上的制動環分開，轉子開始轉動。當電機定子斷電后，軸向磁拉力消失，轉子在制動彈簧作用下，連同制動輪一起復位，與端蓋上的制動環接觸，產生摩擦力矩，迫使電機停轉。軸向磁拉力必須克服電動機在工作狀態的彈簧壓力，才能正常工作。設計時，取軸向磁拉力略大于電動機工作時的彈簧壓力[1]。

圖1 典型錐形轉子電機結構圖

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

式中:F——垂直于轉子表面的磁吸力;

S——有效磁通的錐形截面積;

μ0——氣隙磁導系數。

由于錐形轉子電機工作氣隙比較小，漏磁通可以忽略。同時，試驗在空載下進行，磁路尚未飽和，導磁體的磁阻可忽略，將B=Φ/S代入式(1)中，可得

式中:Φ——氣隙磁通量。

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;

δ——電機工作氣隙總長度。

于是，習慣了大手大腳的韓莎，不得不算計著過日子。星巴克沒了，西餐沒了，進口水果也不敢買了，甚至買兩斤排骨，杜飛都要心疼半天。

電機空載時，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——試驗時對電機所施加的電壓值;

I——試驗時電機的電流值;

P耗——電機空載時的功率損耗值;

R——電機定子繞組的電阻值。

圖2 轉子受力結構圖

由圖2可知:

由此可得軸向磁拉力為

式中:F磁——錐形轉子電機的軸向磁拉力值;

D1——錐形轉子小圓端直徑;

D2——錐形轉子大圓端直徑;

α——錐形轉子鐵心錐度斜角。

2 軸向磁拉力的測試裝置開發

對于滾動軸承結構的電動機，轉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。對于滑動軸承結構的電動機，由于轉子軸向位置不固定，就會引起軸向竄動，對被拖動設備造成沖擊，如果超過允許的竄動量，也會對電機的軸瓦和軸肩造成沖擊甚至損壞[3]。因此，無論從應用角度還是設計角度，了解軸向磁拉力的大小都是十分必要的。對于軸向磁拉力，以往沒有簡便的測試方法，所以JB2102-84《CD1、MD1電動葫蘆用錐形轉子電動機》標準未對此作出規定。隨著測試技術逐步完善，對產品質量的要求也提高了，部標JB/ZQ8004-87《鋼絲繩電動葫蘆產品質量分等》中把軸向磁拉力規定為測試項目。一些最新版本的錐形轉子制動電機相關標準，如JB/T 7562—2002《YEZX系列起重用錐形轉子制動三相異步電動機技術條件》和JB/T 10746—2007《YEZ系列建筑起重機械用錐形轉子制動三相異步電動機技術條件》的附錄中規定了磁拉力特性曲線的測試方法。本文借鑒這些方法，開發了一種錐形轉子電機軸向磁拉力測試裝置。測試裝置的結構如圖3所示，由磁拉力傳遞部件、前后運動部件和壓力傳感器部件構成。磁拉力傳遞部件由活絡頂針、固定套筒、固定塊、活動頂桿、雙頭螺桿、底座組成。前后運動部件有絲桿座、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 磁拉力測試裝置結構圖

具體測試狀態示意圖如圖4所示。測試前先取出錐形轉子電動機中的制動彈簧，以確保電機轉子不受彈簧的壓緊力而能夠在軸向位置自由運動。將磁拉力測試裝置和被測試電機安裝在同一測試臺上，磁拉力測試裝置安裝于電機軸伸端，千分表磁性底座固定于測試臺上，頂針與電機軸的另一端接觸并準確調零，確保被測試電機軸的中心高度與磁拉力測試裝置的中心高度一致。旋轉磁拉力測試裝置的手輪，通過絲桿和活動導柱使活絡頂針沿軸向方向前后移動。活絡頂針與被測試電機的轉子軸無摩擦接觸。

圖4 測試狀態示意圖

起動電機前，先將磁拉力測試裝置中的壓力傳感器與外部二次儀表相連，通過電腦采樣電壓傳感器反饋的電壓值和由二次儀表所傳輸的壓力值。在額定電壓下起動被測試電機，電機轉子受軸向磁拉力作用沿軸向移動并正常運轉。由于千分表頂針置于電機轉子軸的另一端，隨著轉子軸的軸向移動而產生刻度的變化。旋轉磁拉力測試裝置的手輪，使活絡頂針頂住電機轉子向軸向磁拉力相反方向運動，并觀察千分表的刻度值，當刻度值達到2.5 mm時，停止手輪的旋轉。將被測試電機的電壓從1.1～1.3倍的額定電壓逐步降低電壓測量7到9個點，每個點處用電腦軟件記錄下此時的電壓值和磁拉力值。在2.5 mm處測試完畢后繼續旋轉手輪，使千分表刻度值分別產生 2.0 mm、1.5 mm、1.0 mm、0.5 mm 的距離，重復前面的步驟測取 2.0 mm、1.5 mm、1.0 mm、0.5 mm各處每個點的電壓值和磁拉力值。測試結束后通過電腦軟件繪制出磁拉力特性曲線。

3 實際應用及分析

將本裝置用于測試某電機廠JPKH10N型1.5 kW錐形轉子電動機的軸向磁拉力，得到其軸向磁拉力特性曲線，如圖5所示。該圖表示了電機在不同軸伸處軸向磁拉力與電壓的關系曲線。由圖5可以發現，在相同軸伸處隨著所施電壓值的增加，電機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系，因此必將是呈上翹狀的曲線。在不同軸伸處對錐形轉子施加相同的電壓，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，磁力線通過定、轉子共同的軸向長度L增加，因此剩余軸向磁拉力會有所增加。由此可見，實際測試結果與理論分析結論相吻合，測試結果令人滿意。

圖5 軸向磁拉力特性曲線

4 結語

本測試裝置安裝電機和測試裝置方便快捷，采用數字化測試技術，能快速測出錐形轉子電機的軸向磁拉力，獲取磁拉力特性曲線，較好地解決了錐形轉子電機的軸向磁拉力測試問題。通過實際測試和理論分析，驗證了本裝置測試的準確性和實用性，可以為電機生產企業和檢驗檢測機構提供參考。

[1]劉位炎.錐形轉子電動機軸向磁拉力測試方法[J].起重運輸機械，1990(6):22-24.

[2]湯蘊璆，羅應立，梁艷萍.電機學[M].北京:機械工業出版社，2011.

[3]崔劍，韓繼紅，金永利.淺談異步電動機軸向磁拉力的計算與測量[J].防爆電機，1999(1):12-14.