高志柯，文 豪，陳 璞，馬 亮

(1.太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原030024;2.山西省電機(jī)制造有限公司，太原030012;3.海南航空技術(shù)有限公司，?？?71126)

根據(jù)起重機(jī)械的工作性能和構(gòu)造特點(diǎn)，很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)裝置是構(gòu)成起重機(jī)械的重要組成部分，因此，對于設(shè)計(jì)人員來說，合理選擇驅(qū)動(dòng)裝置很重要。

在起重機(jī)械上電力驅(qū)動(dòng)是最主要的驅(qū)動(dòng)形式，其中關(guān)于電動(dòng)機(jī)的選擇十分重要，尤其是電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇，如果按照理論計(jì)算結(jié)果直接選取電動(dòng)機(jī)的額定功率，在實(shí)際中就會出現(xiàn)兩種情況，即選“大’(大馬拉小車)[1]和選”小”(小馬拉大車)[2-3]，這是不可取的，往往需要與工程實(shí)際相結(jié)合，根據(jù)實(shí)際情況對電動(dòng)機(jī)的額定功率值進(jìn)行合理的修正，才能符合實(shí)際需要，達(dá)到既經(jīng)濟(jì)，又可靠。

以往的論文只研究了電動(dòng)機(jī)選擇問題，沒有具體針對起重機(jī)械上電動(dòng)機(jī)功率的具體影響因素，而起重機(jī)工作的溫度環(huán)境各種各樣，有高有低，比如冶金用起重機(jī)，在其工作環(huán)境下的溫度會高很多，所以有必要研究不同環(huán)境溫度下，對起重冶金用電動(dòng)機(jī)額定功率的修正。

1 電動(dòng)機(jī)的額定功率值

電動(dòng)機(jī)的功率是指電動(dòng)機(jī)實(shí)際所帶負(fù)載的能力。電動(dòng)機(jī)銘牌上所標(biāo)的額定功率是指電動(dòng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度(一般環(huán)境為40℃，冶金環(huán)境H級絕緣等級時(shí)為60℃)和海拔高度小于1 000 m時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載連續(xù)工作時(shí)軸上的輸出功率。

從電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，與各類金屬零部件相比，電動(dòng)機(jī)的絕緣材料是受發(fā)熱影響最大、耐熱最薄弱的環(huán)節(jié)[4]。絕緣材料的允許溫度，就是電動(dòng)機(jī)的允許溫度;絕緣材料的壽命，一般也就是電動(dòng)機(jī)的壽命;絕緣材料的允許溫升是電動(dòng)機(jī)溫度與周圍環(huán)境的差值[5]，電動(dòng)機(jī)的額定功率就是確保絕緣材料不過熱的輸出功率，絕緣材料的等級不同，電動(dòng)機(jī)的額定功率也不同。電動(dòng)機(jī)常用的絕緣材料等級分為 A、E、B、F、H 五種[6]，如表1 所示。

任何一臺電動(dòng)機(jī)在實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的過程中都要產(chǎn)生損耗，總有一部分能量損耗在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，并轉(zhuǎn)化為熱能QN，即額定損耗，使電動(dòng)機(jī)的溫度升高[7]。

設(shè)電動(dòng)機(jī)長期額定負(fù)載運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定溫升(τW=τmax)時(shí)的額定功率PN為:

表1 絕緣材料與溫升Tab.1 Insulation materials and temperature rise

而電動(dòng)機(jī)的額定損耗為:

由此可知電動(dòng)機(jī)額定功率的影響因素:

1)絕緣材料允許溫升τmax:提高絕緣材料等級以增大穩(wěn)態(tài)溫升τW，可以提高電動(dòng)機(jī)的額定功率，這是目前的發(fā)展趨勢。

2)電動(dòng)機(jī)散熱系數(shù)A:對同一臺電動(dòng)機(jī)，采用加裝冷卻風(fēng)扇或帶散熱筋的機(jī)殼等措施來改善散熱條件，可以提高電動(dòng)機(jī)的額定功率。

3)電動(dòng)機(jī)額定效率ηN:降低電動(dòng)機(jī)損耗以提高其效率可以增大額定功率;

由公式(1)和(2)可推出:

2 環(huán)境溫度對電動(dòng)機(jī)額定功率值的修正

我國地域廣大，西高東低，南熱北寒，四季氣溫變化大，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的周圍介質(zhì)溫度不可能正好是40℃，如果按銘牌上電動(dòng)機(jī)的容量來選擇，可能欠載也可能過載，長期欠載和過載都不好。如果容量選小了，電動(dòng)機(jī)過載運(yùn)行，使電動(dòng)機(jī)溫度超過允許的限度，造成電動(dòng)機(jī)過早損壞;如果容量選的過大，電動(dòng)機(jī)容量不能被充分利用，效率較低，運(yùn)行費(fèi)用高，不經(jīng)濟(jì)[8]。因此，必須讓電動(dòng)機(jī)在工作過程中，功率被充分利用，達(dá)到國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)溫升。

由上述因素可知，絕緣材料允許溫升的改變會對電動(dòng)機(jī)額定功率的產(chǎn)生一定的影響，下面針對此種情況做如下分析:

電動(dòng)機(jī)常年在高海拔(海拔高度1 000 m～4 000 m)地區(qū)工作時(shí)，以對流為主要散熱方式的電動(dòng)機(jī)，散熱條件變差，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)絕緣材料最高允許溫升限值隨海拔高度升高而降低，其最高允許溫升限值降低率為:在1 000 m的基礎(chǔ)上每超過100 m下降原有溫升限值(表1)的1%[9]，見表2.

表2 絕緣材料的允許溫升修正值Tab.2 The modified value of allowable temperature rise of insulation materials

國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:與上述溫升補(bǔ)償量相對應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行地點(diǎn)的假定最高環(huán)境空氣溫度(即假定標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度)如表3所示(以最高環(huán)境空氣溫度為40℃、海拔不超過1 000 m為基準(zhǔn))。

表3 假定的最高環(huán)境空氣溫度[10]Tab.3 The assumption of the top environment air temperature

若實(shí)際工作環(huán)境溫度θ(非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度)或海拔高度長年都比較高(或低)，從充分利用電動(dòng)機(jī)的容量出發(fā)，應(yīng)對電動(dòng)機(jī)的額定功率值進(jìn)行修正。

α—不變損耗Pf和額定負(fù)載下的可變損耗Pb之比，其值因電動(dòng)機(jī)而異，一般情況下:普通直流電動(dòng)機(jī) α=1～1.5，冶金專用直流電動(dòng)機(jī) α=0.5～0.9，起重冶金專用中、小型三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)α=0.45～0.6，起重冶金專用大型三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)α=0.9～1.0，普通鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)α=0.5～0.7.

表4 修正后的絕緣材料允許溫度Tab.4 Allowable temperature rise of insulation materials after modification

3 實(shí)例分析

表5，表6是在不同絕緣等級、隨海拔高度和溫度變化的電動(dòng)機(jī)功率的修正。

表5 絕緣等級為F級、額定功率為10 kW、海拔小于1 000 m、α=0.5時(shí)對電機(jī)功率修正Tab.5 Modification of the motor rated power when insulation grade is F，motor rated power is 10 kW，height＜1 000 m，α=0.5

當(dāng)海拔高度大于1 000 m時(shí)，絕緣材料允許溫升修正如表2，周圍標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度修正如表3，在此基礎(chǔ)上應(yīng)對電動(dòng)機(jī)的額定功率值進(jìn)行重新修正。例如:當(dāng)海拔2 000 m時(shí)，假定標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度為30℃，F(xiàn)級絕緣材料的允許溫度為134℃.

表6 絕緣等級為F級，額定功率為10 kW、海拔高度大于1 000 m小于2 000 m、α=0.5時(shí)對電機(jī)功率修正Tab.6 Modification of the motor rated power when insulation grade is F，motor rated power is 10 kW，1 000 m ＜height＜2 000 m，α=0.5

4 結(jié)論

電動(dòng)機(jī)在不同環(huán)境溫度、不同海拔高度下工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的額定功率與實(shí)際功率不同。在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，從充分利用電動(dòng)機(jī)的容量出發(fā)，對電動(dòng)機(jī)的額定功率進(jìn)行修正，對于電動(dòng)機(jī)選擇具有一定的參考價(jià)值。

上述數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，僅針對一般型號電動(dòng)機(jī)的統(tǒng)計(jì)情況，依據(jù)電動(dòng)機(jī)絕緣材料允許的最高溫度對電動(dòng)機(jī)功率(電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱條件)進(jìn)行修正。由于考慮因素有限，如果要確保各機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，還要對各機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)能力和過載能力校驗(yàn)。

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