1、项目背

传统起重机起升机构为感应电动机+减速机+卷筒的结构，存在着结构复杂、传动效率低、震动及噪音大、后期维护工作量大等缺点。永磁同步电动机直驱的起升机构具有高效节能、高功率因数、无需减速机、节省空间及自重、低噪音、后期免维护，下降势能能量可回收等优点。永磁内转子电机以及相关配套技术的成功研发，可以突破传统起重机在轻量化、绿色化发展方面存在的技术瓶颈，使起重机重量更轻、体积更小、更加节能高效，同时使用寿命更长，实现无齿轮起重装备技术的重大突破

2、内涵和主要做

该项目研发了基于永磁同步内转子电机直驱的无齿轮传动起重机，突破了无齿轮传动起重机研发的技术瓶颈，具有自重轻、占用空间小、能效高、噪音小、使用寿命长、免维护、具备电能回收功能等优点，主要技术内容如下

（1）基于永磁电机高性能钕铁硼磁性材料、先进结构设计以及专用变频器控制技术，研发出了适用于起重装备的系列化永磁内转子电机，开发了无传感器控制系统，集成的变频系统控制系统保证了良好的起动性能以及控制效率，实现了低转速大扭矩的永磁同步内转子电机在无齿轮起重机上的成功应用，避免了永磁外转子电机加工成本高、使用故障率高、可维修性差、适用性差的缺点

（2）围绕内转子永磁电机的结构特点和无齿轮传动系统的布局，研发出基于永磁同步内转子电机的10t-75t系列化无齿轮传统起重机，优化了小车架的整体结构，降低了小车的自重和净高度，并且使整机的结构更加优化、自重更轻、能效更高、使用寿命更长

（3）围绕永磁内转子电机的传动特性，研发了新型的起升机构传动链系统，取消了减速机、联轴器、外置制动器等结构，将两组盘式制动器与永磁电机有机结合，形成高度集成的起升机构，简化了传动系统；围绕新型内转子电机的结构，设计了新型的分段式卷筒结构形式，结合内转子电机的驱动形式，在卷筒内部设计了渐开线花键的连接结构，实现较高的配合精度和传动效率

（4）基于高性能锂电池储能技术以及永磁电机四象限运行能量回收技术，采用锂电池组作为储能单元，设计了能量回收储存和利用系统，实现了吊重物下降过程中能量的回收储存以及再次利用，整体效率更高、适用性更广

（5）基于无齿轮起重机主要结构件的模块化设计、分段式设计结构，研究了无齿轮起重机主要结构件的制造工艺，起升机构卷筒采用分段焊接预加工、整体芯轴同基准定位等工艺方法，实现了卷筒的组焊精度控制和高同轴度的加工要求；小车架采用模块化制作、工艺装备定位下料及组焊、部件单独加工后装配的工艺方法，保证了车架结构的尺寸精度和生产效率

3、主要原理和机

（1）基于钕铁硼永磁材料永磁电机设

电机设计中，选择磁能积大于等于40MGOe的钕铁硼永磁材料，由于要求该电机转速非常低，并且具有非常高的转矩密度，在电磁场计算基础上进行精确电机性能仿真，优化电磁参数和关键波形。其中的关键电机设计内容包括电机齿槽配合及绕组结构型式设计、高电磁负荷电机设计、主磁场波形设计、强电枢反应磁场作用下的永磁抗失磁计算、定位转矩抑制等

分布式绕组电机设计方案 集中绕组电机设计方

（2）基于模糊控制的最优控制方法逐步应用于永磁同步电机的控

通过对永磁同步电机无速度传感器控制系统相关控制参数优化，保证I/F法到闭环切换时，当动态调节以及电角度突变时，自动寻找到合适的切换点，完成永磁同步电机无速度传感器控制下I/F启动与闭环控制的切换，保证切换到HRF时电流波动最小，动态响应最快

电能回收技术研

（3）基于重物下放时电动机发电状态的能量回收原

采用高性能锂离子电池组作为储能电单元，将电能回收装置连接于变频器直流母线侧，通过整流变压电路及相应控制系统，使重物下降时的能量通过电机发电储存于储能单元中，储能系统实时在线，在下次吊载重物时优先消耗电能回收装置中的能量，做到电能随储随用，整体电能转换率高，节电效果显著。回收装置电能不足时控制回路自动切入工频电源工作并进行电能补充

能量回收单元示意

4、主要创新

（1）基于永磁电机高性能磁性材料和结构研究以及专用控制变频器技术，研发了出了适用于起重装备的低转速、大扭矩、高性能的系列化永磁同步内转子电机及其专用的控制系统，实现了将永磁内转子电机应用于无齿轮起重机产品上，并且将起升机构与大小车运行等控制系统完美融合

（2）于新型无齿轮永磁电机的结构和特性，采用柔性连接和静定结构方案，研发了无齿轮起重机新型小车架、小车等结构和布局，实现了自重轻、能效高、净高度低的小车设计布局

（3）基于永磁同步内转子电机的性能特点，采用永磁电机内置于筒体的直驱方案，研发了新型的起升机构，实现了传动链短、能效高、噪音低、可维修性好的高度集成的无齿轮传动起升机构

传统起升机构与内转子永磁电机起升机构对

（4）于永磁电机四象限运行原理以及高效锂离子电池技术，研发了基于锂离子电池储能单元的能量回收和利用系统，实现了高能效、低成本、高收益的能量回收利用，拓展了能量回收系统的适用性

（5）基于互联网+、PLC和SQL数据库，综合运用上位机技术，实现对电机输出电流、输出转矩、运行频率等运行数据和参数的智能化实时监控技术，具有自动故障报警、运行参数实时监控、档案存储查阅、现场参数采集等功能

运行数据及参数监控界

（6）基于全生命周期的载荷运行检测技

设计了专业的试验台，结合无齿轮起重机的特性，设计了针对无齿轮传统起重机性能特点的专用的检测大纲，对产品在空载、重载、运行噪音等关键技术参数进行检测分析，对永磁电机启停过程、运行温升等性能特性进行研究，填补国内空白

永磁电机无齿轮专业试验

（7）基于自主研发的切割翻转变位机、滑轮梁组焊工装等工艺装备，采用模块化组焊加工、分段制造等工艺方法，研发出无齿轮起重机关键零部件的制造工艺，保证了较高的生产效率和加工精度

5、效益比

（1）与传统的电机、减速机、卷筒结构的起升机构相比，基于永磁同步内转子电机的起升机构电机内置于筒体，具有结构紧凑、占用空间小、自重轻、振动及噪音小、电机免维护、传动效率高、整机能效高、使用寿命长的优点，起升机构减重25%以上

（2）与卷筒作为电机外转子的结构相比，电机内置于卷筒中通过渐开线花键与内部法兰相连，电机壳体与卷筒相互分离，适用于各种规格直接的卷筒，卷筒焊接加工方便，电机维护时仅需卸掉卷筒电机侧端盖螺钉，即可将电机抽出；同时电机使用过程中发热量小，使用寿命长，起升机构寿命增长5年以上

（3）具有高效、实用的能量回收、储存和利用系统，可以将吊重物下降过程中的能量进行转换及储存，并且在下次起吊时将储存的电能进行实时利用，此方案对供电侧的电压、电流等稳定性要求降低，同时可以避免传统电能回馈至电网模式对电网造成的谐波冲击，安全性更好、实用性更高、适用性更广，起升机构整体能耗降低30%

与传统技术比对效

6、技术成果及经济效

该项目已申请发明专利5件、实用新型专利15件，已获得软件著作权21项。研究成果经省内相关专家鉴定技术水平达到国内领先水平。从项目开发至今，该成果产品实现销售约48台套，累计销售收入2845万元。该项目的成功研发，突破了起重机结构和能效优化过程中的技术瓶颈，使起重机整体结构更轻巧、能效更高、更加节能环保。相关的永磁电机直驱技术、控制技术以及能量回收技术，也可以推广应用至通用桥机、通用门机、集装箱门机等相关起重装备，推动起重装备在轻量化、绿色化方向的发展