淺談輕量化起重機(jī)中的高效變頻電機(jī)及其發(fā)展

王國柱

摘要：伴隨著當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的協(xié)同發(fā)展，起重機(jī)也逐漸實現(xiàn)了輕量化。而在輕量化起重機(jī)中，高效變頻電機(jī)是一項至關(guān)重要的配套設(shè)施，只有對高效變頻電機(jī)加以深入研究，使其結(jié)構(gòu)得以科學(xué)設(shè)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(jī)的應(yīng)用與發(fā)展提供足具科學(xué)性的技術(shù)支撐。基于此，本文就對輕量化起重機(jī)中所應(yīng)用的高效變頻電機(jī)及其發(fā)展進(jìn)行分析，包括此類變頻電機(jī)的概述、相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、研究現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)設(shè)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(jī)在輕量化起重機(jī)中得以科學(xué)應(yīng)用，以此來進(jìn)一步促進(jìn)此類高效變頻器與輕量化起重機(jī)的良好應(yīng)用與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：輕量化起重機(jī);高效變頻器;結(jié)構(gòu)設(shè)計;發(fā)展方向

引言：在當(dāng)今，輕量化形式的起重機(jī)已經(jīng)在工程領(lǐng)域中得以良好應(yīng)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(yīng)用方式，其發(fā)展前景也是一片光明。在此類起重機(jī)中，變頻電機(jī)是一項最為重要的配套構(gòu)件，其技術(shù)水平也將會對整體起重機(jī)的應(yīng)用性能起到直接的影響作用。因此，在對輕量化起重機(jī)進(jìn)行應(yīng)用和研究的過程中，相關(guān)企業(yè)和技術(shù)人員一定要加大力度對應(yīng)用在其中的變頻電機(jī)進(jìn)行研究，通過先進(jìn)的技術(shù)措施來保障變頻電機(jī)的高效性。這樣才可以滿足輕量化起重機(jī)的實際應(yīng)用與發(fā)展需求，使其在工程領(lǐng)域中發(fā)揮出充分的技術(shù)優(yōu)勢，在確保其應(yīng)用質(zhì)量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)材料和能源的最大化節(jié)約。

一、輕量化起重機(jī)中的高效變頻電機(jī)概述

就目前的輕量化門式起重機(jī)來看，其變頻電機(jī)主要應(yīng)用的是YZP這一系列的起重和冶金三相異步變頻調(diào)速電動機(jī)，它是輕量化起重機(jī)中所配置的主要高效變頻電機(jī)類型。目前，此類高效變頻電機(jī)的技術(shù)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(jī)產(chǎn)品，該變頻電機(jī)具有很寬的調(diào)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?qū)崿F(xiàn)高精度的吊重定位，技術(shù)優(yōu)勢十分顯著，在輕量化起重機(jī)中具有很大的潛在使用規(guī)模。

二、輕量化起重機(jī)中的高效變頻電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

就目前來看，針對輕量化起重機(jī)中所應(yīng)用到的高效變頻電機(jī)，我國已經(jīng)制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)技術(shù)條件》JB/T 7563-2005以及《YZRE系列起重及冶金用電磁制動繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)技術(shù)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(jī)，我國目前依然不具備足夠完勝的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，仍需進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

在當(dāng)今，很多中小功率形式的電磁制動型變頻電機(jī)生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，其產(chǎn)品也在很多企業(yè)中投入了規(guī)模化的生產(chǎn)，并在起重行業(yè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在國外，ABB以及SIEMENS等的專業(yè)化電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，以及ABN、FLWNDER、NORD、SEW等的傳動設(shè)備生產(chǎn)制造企業(yè)中，都進(jìn)行了此類變頻電機(jī)的生產(chǎn)制造;在國內(nèi)，佳木斯電機(jī)股份有限公司、無錫新大力電機(jī)公司、長江航運集團(tuán)等都進(jìn)行了此類變頻電動機(jī)的開發(fā)，包括YZPE型電機(jī)以及YZPFE型電機(jī)等。但是因為相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不夠統(tǒng)一，所以各國生產(chǎn)企業(yè)大多根據(jù)企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行此類變頻電機(jī)的設(shè)計與生產(chǎn)。

對于起重機(jī)械試驗而言，因其專項技術(shù)方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(diào)速三相異步電動機(jī)》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(jī)技術(shù)條件》等的這些國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)性文件來進(jìn)行試驗[2]。

三、輕量化起重機(jī)中的高效變頻電機(jī)的研究現(xiàn)狀

（一）材料與設(shè)計的優(yōu)化研究

在輕量化起重機(jī)內(nèi)所應(yīng)用的高效變頻電機(jī)研究中，日本、德國以及法國的技術(shù)最為成熟。在這些國家的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，將質(zhì)量優(yōu)越的材料應(yīng)用在此類變頻電機(jī)的設(shè)計中，并對其設(shè)計方法和技術(shù)手段加以不斷優(yōu)化，便可在不改變有效材料的基礎(chǔ)上實現(xiàn)單位功率質(zhì)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(jī)，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(jī)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(jī)各種功率規(guī)格下的中心軸高度對比情況：

（二）先進(jìn)工藝技術(shù)的研究

隨著近年來科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在國內(nèi)外的輕量化起重機(jī)高效變頻電機(jī)設(shè)計和研究中發(fā)現(xiàn)，將當(dāng)今先進(jìn)的工藝技術(shù)應(yīng)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(jìn)一步起升其外觀質(zhì)量。尤其是在噪聲控制方面，先進(jìn)工藝技術(shù)的應(yīng)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(jī)內(nèi)負(fù)載噪聲進(jìn)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(jī)相應(yīng)性能的進(jìn)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(yīng)用

目前，在國外企業(yè)的輕量化起重機(jī)所用高效變頻電機(jī)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(yīng)用，比如SIEMENS在進(jìn)行此類高效變頻電機(jī)的生產(chǎn)中，就將該變頻器應(yīng)用到了中心軸高度為80mm、100mm、132mm、160mm以及225mm的變頻電機(jī)中，并對該制動器進(jìn)行了升降電機(jī)的設(shè)置，其功率涵蓋范圍可達(dá)38KW，分4級，頻率為75Hz[5]。該高效變頻電機(jī)配套的輕量化起重機(jī)可具有40t的起重量。在國內(nèi)，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(jī)用來進(jìn)行葫蘆驅(qū)動。

四、輕量化起重機(jī)中的高效變頻電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）設(shè)計需求分析

因為此類電機(jī)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(zhuǎn)子軸和端蓋等的這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的過程中，需要對制動器接口的合理設(shè)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(shè)計過程中，也應(yīng)該對制動器安裝所造成的結(jié)構(gòu)變化、對電機(jī)本身所產(chǎn)生的影響以及對輕量化起重機(jī)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(jī)所產(chǎn)生的不利影響。另外，因為變頻電機(jī)在輕量化起重機(jī)中屬于動力部件，加之起重機(jī)的提升高度范圍較大、荷載變化較大，所以變頻器的調(diào)速范圍也應(yīng)該足夠大，可適應(yīng)起重機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及頻繁的動作，且低頻起動中的轉(zhuǎn)矩和高頻起動中的過載能力都應(yīng)該足夠大，這樣才可以有效滿足輕量化起重機(jī)的實際應(yīng)用需求。

（二）三點起升機(jī)構(gòu)設(shè)計

在輕量化起重機(jī)中，其起升機(jī)構(gòu)通常為三支點形式，其運行機(jī)構(gòu)通常為三合一形式，所以在具體設(shè)計中，一定要確保高效變頻電機(jī)符合其配套需求。下圖為輕量化起重機(jī)三支點起升機(jī)構(gòu)的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖：

圖1-輕量化起重機(jī)三支點起升機(jī)構(gòu)的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖

在三支點形式的起升機(jī)構(gòu)中，主要的組成部分有變頻電機(jī)、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(jī)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(nèi)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(dá)到良好的軸向?qū)ξ恍Ч＝柚谥О澹梢栽谛≤嚰苌献龊脺p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(jìn)行法蘭孔的設(shè)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(jìn)行法蘭板的設(shè)置，然后借助于螺栓來進(jìn)行連接。

為確保連接效果，具體設(shè)計中，對于電機(jī)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(shè)計為剛性連接。在三支點形式的起升機(jī)構(gòu)中，高效變頻電機(jī)的安裝形式為B5懸掛式。因為電機(jī)自身重量會導(dǎo)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(yīng)該在確保電機(jī)自身力能指標(biāo)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(jī)功率密度的顯著提升[7]。同時，在電機(jī)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(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。所以在具體設(shè)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(shè)計

在輕量化起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)中，高效變頻電機(jī)是其主要的配套構(gòu)件，同時也是該機(jī)構(gòu)中的一個主要噪聲來源。具體應(yīng)用中，如果其噪聲問題得不到有效解決，不僅會導(dǎo)致工作環(huán)境的惡化，同時也會進(jìn)一步加大起重機(jī)的能量消耗。所以在具體設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)該將電機(jī)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(jī)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(jī)中的高效變頻電機(jī)發(fā)展方向

（一）多樣化

伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的輕量化起重機(jī)開始投入生產(chǎn)和應(yīng)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(jī)中所設(shè)置的高效變頻電機(jī)也會具有一定程度的差異性。基于此，為有效適應(yīng)不同類型的輕量化起重機(jī)，在此類高效變頻電機(jī)的設(shè)計與研究中，技術(shù)人員需根據(jù)實際需求，將合理的變頻控制器應(yīng)用在其中，通過多樣化的設(shè)計實現(xiàn)此類高效變頻電機(jī)的多樣化發(fā)展。

（二）小型化

在當(dāng)今，起重機(jī)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(jī)的使用空間越來越有限，對于變頻電機(jī)的質(zhì)量和體型要求也就更加嚴(yán)格。因此，為有效適應(yīng)輕量化起重機(jī)的發(fā)展步伐，滿足其實際應(yīng)用需求，在對高效變頻電機(jī)的設(shè)計與研究中，應(yīng)該在確保其應(yīng)用性能的基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮小其體積，減輕其質(zhì)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(shù)已經(jīng)在工程領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，且其應(yīng)用優(yōu)勢也十分顯著。因此在對輕量化起重機(jī)中的高效變頻電機(jī)進(jìn)行設(shè)計和研究的過程中，技術(shù)人員一定要加強(qiáng)自動化和智能化技術(shù)的應(yīng)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(yīng)用其中，以此來實現(xiàn)整體變頻電機(jī)乃至于輕量化起重機(jī)整機(jī)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(jī)或起重機(jī)的不利影響，盡最大限度確保其應(yīng)用效果與安全。

結(jié)束語：

綜上所述，在輕量化起重機(jī)的應(yīng)用過程中，高效變頻電機(jī)的應(yīng)用效果將會對其工作質(zhì)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(jī)的生產(chǎn)制造中，相關(guān)企業(yè)和技術(shù)人員一定要充分注重高效變頻電機(jī)的研究，通過功率密度、振動、噪聲、外觀、結(jié)構(gòu)以及性能當(dāng)方面的全面研究，使其得以不斷的優(yōu)化。同時也應(yīng)該根據(jù)輕量化起重機(jī)的實際應(yīng)用和發(fā)展需求來推動此類變頻電機(jī)的發(fā)展。這樣才可以有效促進(jìn)高效變頻電機(jī)在起重行業(yè)中的良好應(yīng)用，為輕量化起重機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

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