基本信息
- 项目名称：
- 起重机新型绕线转子永磁电机传动系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品包括绕线转子永磁电机，卷筒，制动器，控制系统。它作为起重机的传动系统，采用PWM斩波调阻技术控制电机转子外接固定电阻的等效值，提高起动转矩，抑制起重机频繁重载起动中的冲击电流，使系统起动过程快速平稳，取消原有起升机构中的减速机和齿轮，由电机直接驱动卷筒缠绕装置，实现重物提升。本作品与传统起升机构相比，简化了传动模式，效率更高，同时提高了系统传动性能和安全性，具有较大的经济效益和社会效益。
- 详细介绍：
- 本作品包括绕线转子永磁电机，卷筒，制动器，控制系统。和传统的起重机驱动系统相比，本作品取消减速机和齿轮，由绕线转子自起动永磁电机直接驱动卷筒缠绕装置，实现重物提升，简化了传动模式，效率更高；采用PWM斩波调阻技术控制电机的转子外接固定电阻的等效值实现无级起动，提高电机起动转矩，抑制起重机频繁重载起动中的冲击电流，使系统起动过程快速平稳，同时提高了系统传动性能和安全性；由于起重机的平均负载率通常低于50%，且按最大起升重量进行选配，使得起重机在低负载（约35%额定负载）时，驱动电机的效率迅速下降，功率因数则从额定负载时的0.85左右下降到0.5以下，造成了电能的大量浪费，而永磁电机改善了原有起升机构中效率和功率因数随负载率降低而不断下降的弊端。电机外侧接有转子电阻控制系统，避免了原有起升机构中电阻分级切换带来的系统冲击；取消了减速机和大量用于电阻切换的交流接触器，为起重机起升机构的检修和保养带来极大便利。本作品对新型起升机构用绕线转子永磁电机进行了分析与设计，并对与其相适应的卷筒缠绕装置和控制系统进行了设计。该起升机构较传统机构在起动性能和稳态运行特性上有了较大提高，保证了起重机起动与运行过程中的高性能和安全可靠性。本作品主要应用于频繁重载起动工况，尤其适用于起重机、球磨机、矿山设备等，其优越的性能满足了制造商和客户的高性价比和高效节能的需求，响应了节能环保的要求，市场前景广阔。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：1. 取消机械减速机，实现起重机械的低速大转矩直驱，减小系统的整体体积，使结构简单紧凑。2. 提高起重机的整体效率及其驱动电机的功率因数，提高有效载荷比。3. 提高起重机起动性能，做到平滑无级起动，延长起重机的使用寿命。基本思路：本作品选用低速大转矩绕线转子永磁电动机作为主驱动电机，取消减速机。采用PWM斩波调阻的方法，实现转子外接电阻的连续变化，将起重机的有级起动改为无级起动，使起重机在起动过程中始终保持最大提升能力，缩短起动时间，提高工作效率，延长起重机的使用寿命，保证其工作的安全性和可靠性。创新点：1、取消减速机，保证起重机在工频电源供电的情况下实现直驱。2、将绕线转子永磁电动机代替原系统的三相异步电动机作为主驱动，这在起重机领域是首创。3、采用PWM斩波调阻思想和现代CPU技术，高速控制电力电子器件的通断，使得转子电阻连续变化，实现驱动电机的平滑无级起动。技术关键：1、新型绕线转子自起动永磁电机的设计。确定合适的定转子绕组形式和永磁体安置方式，以消除多极低速引起的转矩脉动。2. 重载平滑快速起动。确定转子外串电阻的大小以及控制语句，保证电机无级起动。技术指标：最大起升重量：100吨；最大起升高度：22m；主起升速度：4m/min；电机功率：75kW；电机额定转速：200r/min；电机额定转矩：3581N•m；电机功率因数：0.95；电机起动转矩倍数：4.5；电机起动电流倍数：5.6；电机过载倍数：3.4；电机效率：0.95；传动系统效率：0.90
科学性、先进性
- 由于起重机平均负载率低且按最大起升重量进行选配，使得低负载（约35%额定负载）时其驱动电机的效率和功率因数迅速下降，但永磁电机此时仍能保持较高效率和功率因数。以某桥式起重机选用75kW绕线转子异步驱动电机为例，按其平均负载率40%，年运行时间3600小时，平均效率60%计算，若采用同等规格的绕线转子永磁电机，效率将始终保持在90%以上，运行一年节省电能约为8.1万kW•h，按0.66元/kW•h的工业用电费计算，将为企业节省5.35万元。取消减速机后，客户每年节省齿轮和润滑系统的维护费用约1.6万元。本作品的实质性技术特点：用低速大转矩新型绕线转子永磁电机作为主驱动，取消减速机。通过合理调节转子外串电阻，提高电机起动性能，同时兼顾起动阶段的快速平稳性和稳态运行阶段的高效高功率因数特点。这种新型起重机直驱系统与原系统相比，节能效果更加明显，效率可达90%以上，功率因数超过95%，且体积可以有所减小，由于取消了减速机和交流接触器，便于维护，提高了系统可靠性，也避免了润滑油的渗漏污染。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 待定
作品可展示的形式
- 模型，图纸，现场演示，图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：本作品在线检测起重机的工作状态， 自动控制起重机的工作过程，系统自带各项保护功能。操作人员按控制屏上的提示操作即可。技术特点和优势：取消机械减速机，实现系统低速直驱，提高了传动系统效率；利用永磁电机使系统始终保持高效率和高功率因数；通过快速合理调节转子电阻，提高起动性能，满足起重机械对起动性能的较高要求。简化了传动机构，减小系统体积，提高可靠性和可维护性。适应范围：尤其适用于重载频繁起动领域，例如起重机，球磨机、矿山设备等。推广前景：在国家倡导节能减排，低碳经济的大背景下，无论制造企业还是用户，本作品都能满足他们的高性价比和高效节能的需求。尤其适用是重载起动的工况条件，例如球磨机，矿山设备等。因此可以预测：这种起重机械驱动系统必然会被大面积推广和应用。市场分析和经济效益预测：由于我国加大了基础设施建设投资，起重机市场需求强劲增长，仅在2009年我国起重机械市场份额就达到了1000亿元。本作品经济效益显著，在保证用户利益的同时，也响应了国家节能减排的号召，具有广阔的市场应用前景。
同类课题研究水平概述
- 随着我国基础设施建设的加强，尤其是受电力、石油、化工等行业迅速发展的拉动，国内中大吨位工程起重机的市场需求量增长显著。大型吊装用起重设备已由过去单一的抱杆方式，逐步扩大发展成为以高安全性和高可靠性为主的大型起重设备。目前国内的专业起重机厂家主要有中联重科，三一重工，抚挖等公司。国外主要有利勃海尔、特雷克斯-德马格与神钢等。 现今，国内外起重机的发展和研究趋势： 1、起重机大型化。 2、设计创新化。 3、技术核心化。 4、模块化和组合化。 起重机产品的关键技术主要集中在： 1、先进合理的结构设计。 2、智能化高精度的电气控制技术。 3、系列产品的通用性。 现如今国内外起重机使用的驱动方式主要有： 1、变频器驱动异步电机的模式。 2、笼型自起动永磁电机。 3、绕线转子异步电机外接起动电阻的方式起动。 不难发现他们的起升机构仍然没有摆脱异步机加减速机的传统驱动模式，对于重载起动，轻载运行的起升设备，能源浪费严重。而且变频器价格不菲，电阻切换起动时，速度抖动易造成重物堕落等事故。 本作品在起重机械设备领域首次采用低速大转矩绕线转子自起动永磁电机直接驱动起重机的卷筒，取消了齿轮减速机，把驱动装置和传动装置融为一体，并通过斩波调阻技术使电机无级起动，提升起动性能，提高了整机效率和可靠性。所以，本作品解决了长期以来制约起重机发展的关键因素之一，具有十分重要的意义和创新性。
