电动螺旋压力机电机转子发热问题的探讨

三、分析对比
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设从动部分的转动惯量为 , ，它包括电机转子、 飞轮、螺杆和滑块质量换算到螺杆上的转动惯量，转 子的瞬时角速度为 !，则在电机驱动力矩 + 的作用下 + & , ! -. （ " / "） ! & !! ! & / !! -" -. & / 电机的有效输出功为 %0 &
触器的寿命很短；
一、引言
螺旋压力机广泛应用于锻造行业，国内应用最 多的是摩擦压力机。由于靠摩擦传动，接触面上强 烈打滑，这种压力机存在行程次数少、传动效率低 和摩擦带寿命低等问题。为了克服这些缺点，出现 了电动螺旋压力机、液压螺旋压力机和离合器式螺 旋压力机等新设备。 电动螺旋压力机直接由电机的定子带动装在飞 轮上的转子，没有其他传动环节，普遍认为这种压 பைடு நூலகம்机由于电机直接驱动，结构非常简单，传动效率 很高，有发展前途。国外已有上千吨的大型电动螺 旋压力机，国内也有一 些单位进行设计和研制，但 都没有经得起生产考验而得到推广。究其原因主要 有 # 点： （$）电机结构特殊，不能用大批量生产的价低质 优的普通电机，而要专门设计，单件生产，造价很高； （!）工作时电机反复正反起动和停止，交流接
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& 从式 （"） 看出，发热量与 ) "# $ & 成比例，为了使电 机转子不严重发热，不得不降低打击能量。同样的吨
四、结束语
实践证明我厂设计的扩径机原理是正确的，扩 径力计算与实际值十分接近。从设计和使用过程来 看，锥角的选取、锥体与模座滑动副材料的选用、 模具材料的选用及良好的润滑是影响扩径头寿命的 主要因素。
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数相互约去，也就是说，发热量与电机参数关系不 大。因此，靠优化电机参数来彻底解决转子发热问 题，不会有明显的效果。 电机的传动效率，要看电机的工作条件。在一 般情况下，电机在额定转速下运转，它的传动效率 与（" 2 " ）有关，接近 !1/. 。所以用电机直接驱 动确实有很高的传动效率。但是，对于锻压设备来 说，巨大的打击力是靠飞轮减速时的惯性力矩提供
参考文献
’ & 黄锡恺，郑文纬 $ 机械原理 $ 北京：高等教育出版社，’"!’$ 刘鸿文 $ 材料力学 $ 北京：高等教育出版社，’"!($
位的摩擦压力机的打击能量为电动螺旋压力机的 % 倍， 离合器式螺旋压力机为电动螺旋压力机的 ! 倍。
万方数据
略一些次要因素。在转子加速过程中，转子、飞轮、 螺杆和滑块的重量都压在飞轮下的滚动止推轴承上。 由于滚动摩擦系数很小，它的阻力矩可以略去不计。 滑块的重量作用在螺纹上，当行程向下时它的周向 分力协助转子加速，在行程向上时则阻止转子加速， 导轨上的摩擦阻力也阻止转子加速。但与电机的驱 动力矩相比这些作用力很小，为了简化计算都略去 不计。转子发热主要由鼠笼导流条上的感应电流和 它的电阻引起，还有一小部分是转子铁芯矽钢片上 涡流和磁滞引起的铁耗，后者计算很复杂。为了简 化计算，我们只计算鼠笼电阻上产生的热量。 当电机定子接上三相电源后，在转子铁芯上产 生一个旋转磁场。设磁场的磁感应强度为 ! ，旋转 的角速度为 !! ，转子的转差率为 " ，鼠笼的高度为 # ，直径为 $ ，则在旋转磁场的作用下，转子线圈 上感应电动势为 （"） % & !#$" !! 设转子线圈的电阻 ’# （包括鼠笼和端环的电 阻） ，在转差率 " 为 " 时的感抗为 (# ，则流过转子 线圈的电流为 !#$" !! )# & # # （ ’ ! # * "(#） ’#
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由于有感抗存在 ) # 的峰值要滞后一个角度 " $%& " & （’）
!女，%# 岁，副教授 收稿日期：!""!H"!H"I
（#）在长期工作时电机转子严重发热，有时到 了不能容忍的地步。 为此国内技术人员也做了不懈的努力，例如： 用四只双向晶闸管代替三相交流接触器，以解决其 寿命低的问题，取得了满意的结果；与电机专家合 作并用计算机辅助设计优化电机参数，力图减少转 子的发热量，但没有取得明显效果。而对于传动效 率究竟有多高，转子发热的根本原因是什么等问题 却没有一个明确认识。本文通过理论推导对感应电 机在不同转差率工作时的传动效率和转子线圈发热 进行深入分析，以此来说明上述问题。
表" 螺旋压力机运动部分能量（ ,-） &# &% (’$% )# %## 最大允许压 &$% )$# *$( ’# ’&$% ’* 力（./） 摩擦压力机 ’! 电动螺旋 压力机 离合器式螺 旋压力机 (* +& ’)# &! )# &!#
图&
由上式可以看出，当钢管材料、壁厚、扩径长 度一定时，扩径力与设计锥角及摩擦角有关。因此， 良好的润滑条件及选取合理的锥角是影响扩径力的 直接因素。
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转子电阻产生的热量为 %2 &
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将式（#） ，（)）代入上式，并将式（(）的 + 表达 式代入得 万方数据 (*
的。为了减轻飞轮重量并使飞轮提供尽可能多的能 量，所以飞轮要有一定的速降。电动螺旋压力机就 是把飞轮的转速降到零。如果只考虑转子发热的损 失，则电动螺旋压力机电机传动效率可以从式（!） ， （"）中推得 （’’） $ "# % "& ）! #$% ’ #$% ( & ! ! "# （ 将不同的 ( & 值代入式（’’）得表 & 所列数据。
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由表 " 可以看出，在全能量打击时， %2 1 %0 "，发热量与有效打击能量相等，当 " # - !1) 时，发 热量是有效打击能量的 ’ 倍。以上计算只是考虑了 转子线圈的发热量，如果再加上转子铁芯损耗以及 定子的铜耗和铁耗，总的发热量是相当可观的，这 是电动螺旋压力机电机转子严重发热的根本原因。 在上述公式推导过程中，与电机性能有关的参
锻压技术
!""# 年
第$期
・ 设备 ・
电动螺旋压力机电机转子发热问题的探讨
山东大学（!%""&$）
夏思淝!
郝滨海
山东计量科学研究所
夏霄红
摘要
对感应电机在不同转差率工作时的传动效率和转子线圈发热问题进行了理论分析，找出
了电动螺旋压力机转子严重发热的根本原因是电机的转差率变化率太大，得出电动螺旋压力机的传 动效率并不比摩擦压力机大的结论，为螺旋压力机设计制造提供参考。 关键词 电动螺旋压力机 传动效率 转差率
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# # # （ （+） %2 & , 1# ! ! "" / "#） ， （+）是感应电机在不同转差率之间工 式（*） 作时可以输出的有用功和转子线圈发热的表达式。
式中 ," 表示起始转差率， ,# 表示终了转差率。电动 螺旋压力机靠飞轮储备的动能完成锻造工艺。打击 开始之前，滑块停留在上面位置而飞轮转速为零， 即 " 为 "，打击时先松开刹车然后起动电机，在驱 动力矩 + 的作用下飞轮加速旋转，当达到一定转速 时切断电源，这时，转差率为 " # 。 " # 越小，飞轮的 转速越高，即储备的能量越大。当 ,# 接近于零时， 能量最大，称为全能量打击。改变 ,# 可以改变打击 能量。打击结束时，飞轮释放全部能量而停止。回 程时电机反向起动，飞轮的转速由零加速到某一转 速时切断电源。然后靠惯性使滑块继续上升，最后 用刹车将飞轮的剩余动能吸收，使滑块仃留在上面 位置。由此可见，电动螺旋压力机在工作过程中电 ， （+）得 机的转差率 " " - "。将其代入式（*）
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（上接第 )) 页） 式中 — —扩径力系数，一般取 2 3 ’$’ 1 ’$) *— — —每次扩径的长度（见图 &） +— — —钢管壁厚（见图 &） #— — —钢管材料屈服强度 $, — — —斜面升角（见图 &） %— — —摩擦角，& 3 456 &— ! — — —摩擦系数 ’
二、电动螺旋压力机传动效率的理论推导
电动螺旋压力机中采用鼠笼式电动机，在工作 过程中，电机的定子和转子同时发热。定子体积大 并在外层，所以散热面积大，通风条件好，它的温 升并不高。因此本文重点研究转子发热问题，我们 只分析转子的工作情况。转子的受力情况复杂，为 了使理论分析成为可能，在建立数学模型时必须忽 J%
表! (& # 电机的传动效率 #$’ #$& #$( #$) #$% #$* #$+ #$! #$"
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与传统观念相反，电动螺旋压力机的传动效率 远低于 %#0 ，尤其在小能量打击时，它的传动效率 比摩擦压力机还低。
参考文献
李隆年，王宝玲 ，周汝潢 $ 电机设计 $ 北京：清华大学出版社， ’""&$ & 汤晓燕 $ 启动时感应电动机的瞬态电流和电磁转矩 $ 电机与控制 （)） ：&&# 1 &&) 学报，&##’，%
从表 & 中可以看出，在全能量打击时，电机的 传动效率为 #$%，在小能量打击时，电机的传动效 率还要小。所以电动螺旋压力机的传动效率并不比 摩擦压力机高。 离合器式的高能螺旋压力机中，在飞轮与螺杆 之间装了一个离合器，飞轮在工作时只释放部分能 量。它用电机和皮带来驱动飞轮，电机的最大转差 率为 #$’( 。将这一数字代入式（*）和（+） ，得电 机的传动效率为 #$"(。所以电机的传动效率很高， 也不存在转子发热问题。 国外生产了各种型号的电动螺旋压力机，从所 收集的资料看，它的打击能量比同吨位的其他螺旋 压力机小很多。表 ( 列出各种型号螺旋压力机运动 部分能量。