第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着我国经济的不断发展，各行各业对能源的需求和消耗越来越重。提高能效、优化能源结构，把以增强环保实施力度的可持续发展战略落到实处，成为我国经济转型时期的头等要务。在传统的起重行业的机械装备中，由异步电动机加机械减速机构构成的驱动系统占主导地位，但其结构复杂、转动惯量大、系统整体效率低下、噪声大、润滑油渗漏污染、维护频繁等缺点，显然已经不能适应我国当前发展的需求，由低速大扭矩电机直接驱动负载，已经成为该技术领域的发展方向[1]。低速大扭矩永磁同步电机是实现起重机直驱的关键技术之一。它在起重、机床、矿山、冶金、油田、电力、化工、电梯等各工业领域中有着广泛的应用前景。异步电动机低速运行时，电机的极对数会相应较多，此时电机励磁电流所占的比例很大，因此空载电流较大，电机的效率和功率因数很低。电机的极数越多，励磁电流分量越大。对于大于 20 极的电机，励磁电流与有功电流之比在 0.95:1～1.25:1 之间，因此功率因数很低（0.62～0.72），同时，因合成的定子电流增加了很多，导致定子铜耗大大增加，严重降低了电机效率。故长期以来，由于极对数和供电频率的限制，异步电动机的转速和转矩都无法真正意义上的实现低速大扭矩驱动。 永磁同步电动机具备体积小、重量轻、结构简单、效率高、可以实现直驱控制等优点，将永磁电机应用到起重行业实现整个起重系统低速、大扭矩、低噪声的特性是一个相当有意义的项目[2]。 随着永磁材料性能的提升和完善，永磁电动机的性能不断提升，相比电励磁电机，其在能效及性能等方面表现出的优越性使得永磁电机得到了越来越广泛的应用。我国的稀土资源丰富，充分发挥稀土资源的优势，研制和推进永磁电机的发展，提高电机的性能，推广永磁电机的应用范围，对于提高我国的能源利用率，缓解我国能源紧张的局面有着重要意义。由于永磁同步电机的励磁由永磁体产生，不需要定子提供额外的励磁电流，因而永磁同步电动机的功率因数可以做的很高，同时由于电机定子电流无功分量极低，故其值明显低于同极数、同容量的感应电机，特别在电机极数较多时更加明显，可使定子铜耗减小 30%～50%。永磁同步电动机易于实现多极数，且在很宽的负载范围内具有良好的效率和功率因数的特性，使得取消机械减速机，实现低速大扭矩电机的直驱成为了可能。
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1.2 课题的国内外研究现状
我国的起重机械电控系统长期以来沿用仿苏的产品模式，以 YZR 系列异步电机为主要驱动电机，配以减速机构、继电控制柜及电阻器组成的电控系统，这种驱动方式由于减速机的存在，给系统带来了很多缺点。如驱动系统体积变大、效率降低、噪声增大并且减速机的维护复杂。所以这种传统的结构已无法适应当今时代高速发展的要求。取消减速机，由低速电机直接驱动机械负载，已成为该技术领域的发展方向。永磁材料近来发展的很快，尤其以稀土永磁合金为代表永磁材料的广泛的应用，使得体积轻小，性能优良的，具有明显节能效果永磁电机得以广泛的应用。 专利[3]公开了一种内转子直驱式起重机用永磁同步电机，如图 1.1 所示，包括：永磁同步电机的壳体、定子绕组、定子铁芯、永磁体、转子、卷筒转轴、卷筒。电机的轴直接与卷筒相连，省去减速机构，直接驱动卷筒提升重物，这种结构由于卷筒的存在，使得整个系统体积依然很大，并且电机轴与卷筒连接的部分容易发生故障。电机的极数大于 20 极，通过增加永磁电机的极数，采用变频电源供电，实现电机的低速运行，输出较大的转矩，直接驱动负载工作，取消减速器，结构简单，提高系统工作效率，功率因数可达 0.9~1。
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第 2 章 起重机用永磁同步电机的设计与实验研究
2.1 起重机用永磁同步电机的设计要求
本章根据起重机用永磁同步电机的特点，对起重机用永磁同步电机的电磁设计、参数选取原则等相关技术进行研究，设计一台起重机用永磁同步电机，电机相关技术要求如表 2.1 所示。作为起重机的动力核心部件，驱动电机的好坏对起重机整体性能具有重要影响。新型的起重机用永磁同步电机由于其自身的结构特点使得其在电机参数选择上也有自己的特点。新型的起重机用永磁同步电机受起重机行业制约，使电机转子外径限制，并且由于电机采用外转子结构，这样电机定子铁心外径也被限制，与普通低速大扭矩永磁同步电机不同，新型的起重机用永磁同步电机形状为细长型，这就给电机加工制造带来许多麻烦。在设计起重机用永磁同步电机时，要求考虑电机的加工因素，尽可能降低加工成本。 起重机用永磁同步电机工作环境特殊，其负载大，负载电流大，电机铜耗占总损耗的比例特别大，铁耗所占的比例较小，在电磁设计上应尽量减少铜耗，调整电机的损耗分配。提高起重机用永磁同步电机的效率。
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2.2 起重机用永磁同步电机的设计
永磁同步电机作为起重机的动力源，其安装尺寸的确定必须要和起重机的设计相配合。本设计基于低速大扭矩永磁电机的应用，由于起重机自身结构的改变决定了电机的结构必须为外转子结构，即电机的转子做为起重机的卷筒，定子与轴固定连接，轴通过支架固定在起重机的行车上。因此，电机做为起重机械的一部分，它的外形尺寸受到起重机本身行业要求的限制。对于本文所要设计的 9.79kW、18.3r/min 的样机要求，其转子外径尺寸限定为外径 400mm，对于外转子电机来说，转子内径的大小间接决定了定子外径的大小，转子内径越大，电机定子外径越大，则越容易放更多的铜，有利于减少电机的铜耗。因此，在保证铁心长度、反电动势、槽满率基本不变的前提下，对转子内径为 384mm、380mm、378mm、374mm、370mm、366mm、360mm 电机的方案进行了对比，如表 2.2 所示。从表 2.2 可以看出，随着转子内径减小，电机的铜耗逐渐增大，转子内径为 384mm比转子内径 360mm 铜耗增大了 25.28%，铁耗减少了 10.73%。可见增大转子内径（降低卷筒厚度）可有效降低铜耗，即转子内径越大越好，有利于降低电机的铜耗，提高电机整体的平均效率。由于新型的起重机用永磁同步电机的转子为起重机的卷筒，卷筒必须达到一定的强度要求，需要对卷筒的强度进行考核。卷筒的材料为 Q235-B，其属性如表 2.3 所示。
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第 3 章 起重机用永磁同步电机的温度场分析.........32
3.1 起重机用永磁同步电机的求解域模型建立............32
3.2 温度场计算结果分析............37
3.3 工作制对起重机用永磁同步电机的温度场影响....40
3.4 短时过载对起重机用永磁同步电机的温度场影响.........41
3.5 本章小结.....42
第 4 章 起重机用永磁同步电机的能效分析....43
4.1 机构的分级..........43
4.1.1 机构的使用等级......43
4.1.2 机构的载荷状态级别.......43
4.1.3 机构的工作级别......44
4.2 新型的起重机用永磁同步电机的节电率计算.........44
4.2.1 机械结构效率的计算.......45
4.2.2 M5 级别节电率的计算.....46
4.3 不同工作级别下起重机用永磁同步电机的节电率.........47
4.4 本章小结.....50
第 5 章 结论...........52
第 4 章 起重机用永磁同步电机的能效分析
起重机械是国民经济各领域中广泛使用的不可或缺的特种设备。电机作为起重机械的核心部件，电机的能耗占起重机械能耗的主要地位。但是不能简单的按照常规的方法来分析起重机用永磁同步电机的能效：一方面由于起重机的使用工况复杂，起吊的重物不是恒定的；另一方面由于起重机械的传动轴、减速箱等机械结构个体差异大，不能准确的给出其效率值，使得计算的结果不具有代表性。为了更好的从理论分析所设计起重机用永磁同步电机的能效，参照起重机设计手册，按照机构的等级，以Y2-180L-8 异步电机做为参考，分别对传统机构和新型的起重机用永磁同步电机的能效进行了理论计算，并且分析了机构的等级对起重机用永磁同步电机能效的影响。
4.1 机构的分级
根据起重机设计手册，机构的设计预期寿命，是指设计预设的该机构从开始使用到预期更换或最终报废为止的总运转时间，它只是该机构实际运转小时数累计之和，从而不包括工作中此机构的停歇时间[44]。为了更好地计算起重机用永磁同步电机的节电率，分别计算新型的起重机用永磁同步电机与相同功率等级的三相异步电机加机械结构在生命周期的耗电量，然后进行对比分析。传统三相异步电机的型号是：Y2-180L-8/11kW，通过查取《Y2 系列三相异步电动机技术手册》得到电机额定的效率值为 87.51%，而相应功率等级起重机用永磁同步电机的额定点的效率 72.91%，两种电机的效率曲线如图 4.1 所示。
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结论
本文对重机用永磁同步电机进行了研究，首先，设计了一台 9.79kW 起重机用外转子永磁同步电机，制造样机并进行实验研究。其次，对起重机用永磁同步电机进行温度场校核，分析了工作制和短时过载对温度场的影响规律。最后，对起重机用永磁同步电机进行能效分析。基于以上工作，本文主要得出结论如下：
（1）根据实际应用的需要，完成了 9.79kW、18.3r/min 新型的起重机用永磁同步电机的设计，分析了转子内径、极弧系数、气隙长度等重要参数对电机性能的影响，制造样机并进行试验，所设计的电机满足性能要求，而且减轻了起重设备的体积和质量，提高了驱动系统的整体效率。
（2）起重机用永磁同步电机由于是外转子结构，并且为细长型，永磁体装配比较困难。文中分析了不同永磁体装配方法的优缺点，最终确定采用先将永磁体固定在卷筒内壁上，然后用不锈钢压块将其固定，压块的长度与铁心长度相等，用螺栓将压块与卷筒进行固定的方法。
（3）分析了起重机用永磁同步电机的三维瞬态温度场，得到的温升计算结果较为准确地呈现了采用 S3 工作制起重机用 PMSM 运行过程中温升变化过程。针对起重机用永磁同步电机的特点，本分析了工作制和不同通电持续率对电机温度场的影响，S1工作制下电机各部分温升要比 S3 工作制下高很多，S1 工作制下绕组的温升是 S3 工作制下的 2.19 倍，S1 工作制下永磁体的温升是 S3 工作制下的 2.87 倍，S1 工作制下定子铁心的温升是 S3 工作制下的 1.93 倍。所以在设计起重机用永磁同步电机时，如果电机的工作制为 S3，可以将电机的功率密度提高，选择绝缘材料，可以适当降低绝缘材料等级，降低电机的成本。通电持续率对绕组的温升影响较大，40%通电持续率比 25%通电持续率绕组温升高 39.44%，60%通电持续率比 40%通电持续率绕组温升高 46%。
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参考文献(略)