轻量化起重机电机和制动器技术发展状况

张韦微 王朋辉 郝 铖

0 引言
轻量化桥式起重机的起升机构采用工字钢梁小车架，变频电动机通过法兰套筒固定在减速器高速轴端箱体上；变频电动机的输出轴通过联轴器与减速器的高速轴连接；卷筒的一端通过锥形接手与减速器低速轴连接，卷筒的另一端通过轴承座固定在小车架上；减速器高速轴端通过支承铰点固定在小车架上，减速器低速轴端通过板式支承座固定在小车架上。
为实现三支点起升机构和三梁小车架的布置，必须要求电机和制动器避免底座式安装，故选配可靠性较高的进口电磁盘式制动器安装在电机尾部，电机采用B5凸缘带法兰卧式通过法兰套筒安装在减速器上，电机选用4 级变频电机，体积小，质量轻。利用法兰固定在减速器箱体上，在两者之间增加联轴器，实现柔性连接，降低对减速器和电机安装精度的要求，缓解冲击。
针对新型起升机构及国产关键部件不能满足其性能要求的迫切需求，本文研究了适用于新型起升机构的关键部件，指导国产关键部件系列产品的研发、设计制造，以满足轻量化桥式起重机推广应用需求，填补国内适用于轻量化桥式起重机性能要求的关键部件标准及技术规范的空缺。

1 轻量化变频电动机
1.1 电机技术要求
为实现三支点起升机构和三梁小车架的布置，必须要求电机和制动器避免底座式安装。为此，选配可靠性较高的进口电磁盘式制动器安装在电机尾部，电机采用B5 凸缘带法兰卧式通过法兰套筒安装在减速器上，电机选用4 级变频电机，其体积小，质量轻。利用法兰固定在减速器箱体上。在两者之间增加联轴器，实现柔性连接，降低对减速器和电机安装精度的要求，缓解冲击。

1.2 CHCP 紧凑型电机技术
紧凑型轻量化变频电机具有电机尺寸小、功率范围广泛、调速范围广、最大转速高达3 000 r/min、转动惯量小、低噪声等特点，相同功率下的紧凑型电机比YZP变频电机质量可减轻20%，高度降低15%，转动惯量减小25%。 这种电机最早应用在机床上，对空间要求小，随后在塔式起重机上应用广泛，其高度低、质量小、转动惯量小的特点适用于频繁起制动的工况。高密度电机的转子体积和重量小于原有同功率下的YZP 电机转子，但相比同机座号下的YZP 电机还是要大一些的。因此，以160 kW、55 kW 的电机为例，其质量为363kg， 大于原YZP160L-4 的130 kg， 相比原有55 kW的YZP250M-4 的480 kg 减轻了24%，整机高度降低23%，起动转矩倍数提高10%，转动惯量减小30%。

1.3 紧凑型电机由定子铁芯代替传统铸铁机壳
从物理空间上，提供了在同一中心高上加大电机功率的可能性。设计方形定子冲片，带通风孔转子冲片。通过焊接的方式使定子铁芯成为整体，定子铁芯起到导磁和结构支撑的双重作用，取消了传统铸铁机壳。由于铸铁机壳底脚占据了一定的空间，取消后在同一中心高的，定子冲片内径可适当加大，相应转子外径加大，提供了加大电机功率的空间。

1.4 紧凑型电机采用内部直接散热的方式
电机热容量大幅度增加，使提高单机功率成为现实。对于传统电机而言，电机工作时，定子绕组发热传到定子铁芯，由定子铁芯传导到铸铁机壳（受机壳与铁芯间存有空气的影响，该过程的热传导效率低），铸铁机壳表面的散热片与空气接触，由空气流动将热量带走。紧凑型变频电动机由定子铁芯取代铸铁机壳后，定子铁芯直接与空气接触，减掉定子铁芯与传统铸铁机壳的热传导环节。
电机在工作时，按功率、极数的不同，转子绕组发热有时略低于定子绕组发热，有时与定子绕组发热相当，故电机内部热量占比大。紧凑型变频电动机的散热方式为风机直接将外部冷空气，吹到电机内部，穿过转子冲片的通风孔，将内部热量带走，这种内部散热的方式，使散热能力得到提高。

2 电磁盘式制动器
2.1 电磁盘式制动器技术要求
轻量化桥式起重机采用电磁盘式制动器安装在电机尾部，与电动机同轴连接，连接形式受到电机的相关约束，制动器参数应与电机匹配。起重机械的工作特点是反复短时工作制、制动频繁，制动器在吊运作业中起到夹持工件运行、紧急制动的作用，是起重机系列工作中重要的主动安全装置，在起重机械行业中广泛应用。制动器的磨损检测通过限位开关检测摩擦盘磨损量
来实现，但由于摩擦盘的磨损量级非常小，在使用过程中开关的灵敏度很难保证，经常是监到磨损量过大而报警的问题，并未达到理想的效果。因此，这部分暂不做明确要求。
动作检测开关的作用是利用开关的通断来监测抱闸线圈吸合或释放时铁心产生的位移，从而确认闸瓦的上闸或释放，以判断制动器的性能。制动器动作的同时微动开关也有相应的动作，常开点闭合，常闭点断开，给系统一个信号，说明刹车正常且在工作状态，否则，系统会有报警等相应程序启动。

2.2 电磁盘式制动器的特点
1）体积小，质量轻
在起重机轻量化的发展趋势下，减小起重机配套产品的体积和质量才能从根本上满足轻量化要求，相比传统鼓式制动器而言，盘式制动器的体积与质量明显减小。以55 kW 电机为例，选择鼓式制动器作对比，见表1。

表2 盘式制动器与鼓式制动器的对比结果

从制动器型号选择可知，在电机功率、制动力矩相同的情况下，盘式制动器的质量明显小于传统鼓式制动器。从结构角度看，盘式制动器的紧凑性比鼓式制动器好，故体积也远小于鼓式制动器。

2）便于安装调整
制动器对于起重机来说起着至关重要的作用，但长时间使用后制动器需要重新调整。由于部分维护人员在制动器的调整过程中操作不规范，造成安全隐患，故制动器在设计上要方便调整。对于盘式制动器，安装只需要调整衔铁与定子之间的间隙到额定间隙，需要的调试工具也相对简单。如果长时间使用造成摩擦盘磨损，只需要将间隙再次调整即可。而传统鼓式制动器调节起来相对复杂，需要操作的步骤比较多，给维护人员带来不便。

3）转动惯量低
从制动方式上来说，传统鼓式制动器的制动方式为：在电机轴上安装惯性轮，通过惯性轮与制动鼓摩擦制动。力矩越大惯性轮的直径也越大，故转动惯量也随之增高。 而盘式制动器通过转子与衔铁摩擦制动，转子的直径小，同时质量比较轻，所以转动惯量相对较低。

4）响应速度快
在起重应用中，起重机的操作需要频繁点动，为了防止拖磨与溜车，要求制动器的响应必须要快。传统鼓式制动器的制动方式：当收到制动信号时，收紧制动鼓，通过摩擦使得电机制动，释放时与制动过程相反，工作过程相对缓慢。
而盘式制动器收到制动信号时，线圈断电，通过弹簧力瞬间挤压衔铁与摩擦片摩擦制动。当释放时，线圈通电，依靠电磁力克服弹簧力，将衔铁吸附，消除摩擦力。这个过程相对迅速，从而提升制动器响应时间。

5）功耗低
在起重应用中，另一个需要克服的问题就是发热。起重机工作过程中频繁的点动以及摩擦制动，导致制动器温度升高。当制动器温度逐渐升高时，摩擦材料会发生热衰退，导致摩擦因数降低，从而降低安全性。而减小制动器功耗，也是减小温升的一个重要因素。盘式制动器在设计时，采用低功耗的线圈设计方法，从根本上降低了制动器的功耗。

2.3 电磁盘式制动器技术特点
1）采用在线转子粘接无损检测仪检测转子粘接，提高转子粘接的可靠性，确保制动器不存在脱片现象。
2）特殊设计的双压整流器，提高了整流器的耐电压冲击及电流冲击能力，确保制动器的可靠运行。
3）采用真空灌封工艺，有效保护线圈，避免线圈烧毁的可能。
4）采用青稞纸强化线圈首端与末层接触部分及漆包线与引线连接部分的绝缘强度，保证线圈不会在断电时的反电势下击穿烧毁。
5）采用冷压与焊接结合的工艺处理引线与漆包线相连部分，防止高温时焊锡熔化及低温时的焊锡粉化造成的连接失效。
6）采用更高绝缘等级的漆包线，提高制动器的耐热性能。
7）采用冷锻压的铝合金转子，有效避免了传统铸造铝合金转子的缺陷，提高材料强度，进一步提高制动器的可靠性。
8）采用QPQ 处理，硬度HV ≥ 600，盐雾试验≥ 200 h，提高摩擦对偶的耐磨性能和防腐能力，完全满足户外应用的要求。
9）轴套采用高强度不锈钢材料，保证材料强度及防腐需要。

3 总结
轻量化电机和制动器分别从结构形式、材料等方面开展优化，实现了产品的轻量化。使其结构更加合理，技术性能更加优越，与此同时对轻量化电机和制动器的设计、制造提出更高的要求，进而促进起重机械行业及其配套件产业的技术进步和结构调整，提升产业的核心竞争力。