在我的起重电气设计系列之中，只是谈高中端起重设计，我们公司根据起重的复杂程度，分为M1、M2、M3和M4，M1是高端，如STS, M2是高偏中端，如无自动化的RTG/RMG, M3是中偏低，M4是低端，如简单的行车。有些起重，电机只有几个千瓦，用接触器直接启停，非常简单，就不讨论。起重机的复杂难易程度，可以通过电机功率、运行速度和功能来区分。如大型桥吊，起升有2台560KW电机，起升速度180m/min, 小车速度240m/min; 卸船机的生产能力在1500t/h(每小时可以卸料1500吨)；这些都是高端起重机。

起重电气系统设计之中，电机的计算和选型是非常重要的内容，因为电机是起重的动力来源，价格占比比较高，选择刚好够用的电机可以降低成本。

在讨论电机之前，我们先简单回顾电力拖动系统的历史。

起重机拖动系统是随着电力电子技术的发展而发展起来。起重机的拖动控制技术包括直流拖动和交流拖动两种方式，直流 有励磁调速和调压调速。交流又分为串电阻启动、涡流调速、脉冲调速、调压调速、串级调速和变频调速等多种调速方式。

最初的起重机拖动系统，是由交流绕线电机来拖动，通过改变串入转子回路的电阻阻值来改变电机的自然机械特性曲线。从而达到起动、停止和调速的目的。我摘录西门子定子调压 SIMOTRAS HD的手册曲线图来做说明。电机特性曲线图如下图一所示，共有4根曲线，最上面的一根是自然特性曲线，即转子回路没有串接电阻，即所有电阻用接触器切除了，n2, ,n4是分别串接了3个不用阻值电阻的电机运行曲线。在切换电子的时候，电机运行曲线从当前曲线（如n4）切换到另一根曲线（n3），如图二所示。由于电机转速不能突变，但输出转矩可以突变，因此电阻切换时电机会输出冲击转矩，这对机械会有相应的冲击。

图一电机机械特性曲线图。

图二，电机在串接不同的转子电阻时运行曲线。

小功率可控硅技术的发展，国外设计出了里奥纳度系统，国内称作电动–发电–电动系统；即由一台大功率交流电动机拖动几台直流发电机，直流发电机的的输出作为直流电动机的直流电源，再由直流电动机拖动起重机的各个机构使起重机运行。小功率可控硅的电流作为直流发电机的励磁电流，通过改变小功率可控硅的输出来调节直流发电机的励磁电流，从而改变直流发电机的直流输出电压，直流电动机则获得可变的直流电源，直流电机的速度与直流电压成正比；通过以上控制回路，达到调速目的；即通过调节小电流（小功率可控硅）来达到调节大电流（直流电动机）的目的。

我们公司在2007年对大连造船580吨门机的改造就是将电动–发电–电动系统改为西门子6RA70直流驱动系统，即拆除6000VAC交流电动机和600VDC发电机。

当大功率可控硅的技术发展成熟，各大电气公司相继开发出大功率的直流拖动系统。起重机的拖动系统相应地发展成直流拖动系统。交流电源送入直流拖动系统，直流系统将交流电整流成电压可调的直流电源来驱动直流电机，达到调速的目的。

1998年以后，随着大功率IGBT技术的发展，大功率交流变频驱动器得到快速发展,起重机的拖动系统逐步采用交流变频电机加交流变频驱动器的拖动形式，以代替直流系统。这是由于相比直流系统,交流电机的维护容易,费用低，调速范围广。

串电阻启动、涡流调速、脉冲调速等调速方案为传统调速方式，其主要缺点是起制动电流大，对机械系统冲击强，随环境温度变化所造成的误差大、不易于实现数据通讯，对电机保护不全面等。随着交流电动机变频调速器的应用和普及，人们已淘汰绕线式电动机转子回路串电阻调速这一落后的调速方式，采用先进的变频调速技术取而代之，实现了提升机械的平滑调速和节能运行，并将电网侧功率因数提高到1.0，同时省去了调速接触器、正反转接触器等元件，完全解决了传统提升机械的存在的固有缺陷，使设备性能得到极大提高。

电动机的变频调速方式主要有V/F调速和矢量控制调速。V/F调速，简单的说就是调压调频，主要应用于风机、水泵等机构。矢量变换控制是把交流异步电动机模拟成直流电动机，能够像直流电动机一样进行控制。采用矢量控制的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。

接下来的篇幅，只是探讨交流变频驱动系统，因为其他都是淘汰的技术，但基于历史原因，还有一些拖动系统在使用，因此做个简单回顾。

分享一个小故事，2000年11月，我老板要派我去上海吴泾电厂勘察卸船机驱动系统的改造项目，给我一堆图纸，问我这是什么系统。我快速回顾1993年学的电力拖动系统的内容，回答那是 AC Motor – DC Generator – DC Motor system( 他听不懂普通话，我也只能直接翻译成英文表述，不知道叫里奥纳度系统 ）。

Four.起重机电气设计分享_电机篇（2）

一．直流与交流的讨论 

   大约在1997年，集装箱港口RTG/RMG的小车和大车采用交流电机驱动，起升仍然采用直流电机驱动。之后STS也采用RTG/RMG那样的交直流混合驱动的形式，因为当时用户出于起重需要稳定运行的考虑，对交流变频驱动有顾虑，担心电机输出力矩不如直流电机，特别是启动阶段和卸船机在抓斗闭合的时候。实际上交流变频驱动的矢量控制，是模拟直流电机的工作模式，在控制模型中将定子电流分解成电枢分量和励磁分量，从而分开控制。如图一所示，在不同频率下：

a.恒转矩区间：电机转速≤额定转速，电机输出力矩可以保持在额定转矩。

b.恒功率区间：电机转速>额定转速，电机输出功率恒定，输出转矩与速度成反比， 即速度越高转矩越小。

图1，电机转速–输出力矩倍数（M/Mrated）关系图；以4极电机为例。

   图一的x轴是转速，y轴是最大转矩与额定转矩的比值，上面的虚线是指电机的最大输出转矩，进入恒功率区间后与速度的平方成反比，因此比输出转矩下降速率更快。在我们国内的书籍之中，电机速度转矩特性曲线是x轴表示输出力矩，y轴表示电机转速，因此曲线需要做旋转才与我们的教科书一致。

   大约在2000年，港口起重开始采用全交流驱动系统，我们在2003-2004年做的卸船机，还是采用直流驱动系统，从2005年开始才逐步采用全交流驱动系统。钢厂起重采用交流驱动系统的时间更晚一些，2006年我们设计马钢480吨铸造吊才采用全交流驱动系统，进而在2008年首钢京唐480吨铸造吊也采用全交流系统。至此，交流驱动系统才广泛采用，事实证明，交流系统性完全能达到直流驱动的性能。

   虽然交流驱动系统已经广泛使用，但直流驱动系统和采用绕线电机的定子调压传动系统依然还有一些客户在使用，可能出于成本考虑；可能使用场景的因素，如定子调压在钢厂电网波动的环境下抵抗电压波动能力强；或许可能觉得老系统稳定，就如儒家一直主张的师古。但新技术的潮流总是挡不住。这也带来很多改造的机会，将变频驱动系统和电机更换原有的各种驱动系统。一点小体会：我们做电气的，需要终身学习，因为技术在持续加速发展，不要由于没掌握新技术而产生畏惧心理，甚至抵触情绪。哪怕是直流驱动系统，我也接触了西门子6RA22,6RA24,6RA70,6RA80。

   在以后的篇幅中，只讨论交流驱动系统。

二．电机的选型计算

   电机的选型计算是由机械来承担，因为我们没有详细的计算所需的机械数据。但我们在做电气设计时，需要做详细的电机选型和容量核算。我们根据机械初步选好的电机功率和额定转速数据，通过电机样本来确定合适的电机。

1.起升电机的容量计算。

起升电机的功率通过以下公式来计算：

其中：

P: 功率 KW

mG: 额定起重量，吨

mL: 吊具和钢丝绳重量，吨

g: 重力加速度，9.81，m/s2

v: 满载下的额定速度，米/分钟

η：机械传动系统总效率

   在计算的时候，mG是指起重的额定起重量，如STS的40吨，卸船机有45,55,60吨等。

   mL 指吊具、吊钩、抓斗以及钢丝绳的重量; RMG/RTG的钢丝绳一般是15米，可    以不考虑钢丝绳的重量，只要考虑吊架和吊具的重量；卸船机的钢丝绳重量也可以不考虑；但是造船门机需要计算在内，因为起升高度有些达到80多米，而且好几股绳，重量可达好几吨，特别是在校验空载高速运行时的电机堵转力矩时，对电机选择占很大的因素。

   机械设计会给出机械传动系统总效率（η），其中包括齿轮箱、钢丝绳卷筒等所有机械传动链的效率。国内很多起重机厂给的数据是0.85，也有0.9，见过一家欧洲有名的起重机公司，给出的造船门机的数据是0.93。0.85-0.93对计算功率计算影响还是不小。

   下面以抓斗卸船机例子来对计算做个说明， 1500t/h卸船机数据：

起升/开闭机构

起重重量：40吨, v = 130米/分钟, 加速时间t=2.5 秒.

最大速度：17吨, 160米/分钟（抓斗自重17吨）

   起升/开闭电机选择 560KW 电机。1000.23/2=500.115 KW, 是否可以选择500 KW电机？觉得根据使用工况也许可以，因为500 KW 是S1， 40°数据，但实际工况是S3-60%, 环境温度取决于夏天当地气温以及机房的环境温度；而且0.85的效率比较保守，但OEM经常会选稍微大一点的电机，是考虑提高稳定性。

   本篇到此结束，太长看得有点累，下篇再介绍其他机构的电机选择。

Five.起重机电气设计分享_电机篇（3）

一．电机的选型计算（续上篇）

2.小车和大车平移机构电机的计算。

小车和大车平移机构电机的功率通过以下公式来计算：

P = Pf+ Pw+ Ps+ Pacc

Pf:摩擦功率，KW

Pw:风阻功率，KW

Ps:克服重力势能的爬坡功率，KW

Pacc:加速功率，KW

说明：

1)Pf=mG*f,mG是大车或小车的重，f为动摩擦系数。

2)Pw= s * v，s为迎风横截面积，v为风阻系数；STS/RTG/RMG需要满足在6级风速下运行（20m/s）

3)Ps:与坡度和自重有关，一般是形变坡度，大型造船门机大梁有5°的坡度，其他一般是形变产生的坡度。

4)Pacc：加速功率，一般利用电机的过载能力。

小车或大车的自重以及迎风面积、动摩擦系统、风阻系数只有机械设计工程师才有这些数据，因此功率的计算需要OEM机械工程师提供，我们电机选型计算只是根据机械提供的初步数据来核算。

这些计算都是来自机械设计，也就不举例说明了，以免出错留下笑柄。

二．电机的选型

我们通常按以下步骤来选择电机：

1.额定功率（KW），从机械设计工程师提供的计算数据获取功率要求，如果客户没提供，也可以根据上面的计算方法估算，特别是投标阶段，客户可能也没有详细的数据，可以根据以往的经验数据来选择。需要注意的是电机产品目录的数据是S1和40°的环境温度。

2.额定转速（rpm）, 转速与齿轮箱相匹配，达到起重机一个工作循环或生产率的条件下，各机构的实际运行速度（米/分）。

3.额定电压（V），目前有400、500和690V, 功率越大电压选择越高一些，是考虑可以减小电缆尺寸。根据目前使用的经验来看，会尽量不选690V, 如果选择了690V, 则直流母排电压低于1000 VDC。

4.保护等级的需求，通常户外选用IP55,室内选择IP23就够了，考虑到虽然在室内，但港口湿度大，客户也会提出采用IP55的电机。

5.额定频率（Hz）, 现在都用变频电机，但产品目录的数据一般还是50 Hz, 即确定在额定负载全速状态下电机运行在多少赫兹。有些机械设计会要求额定负载下给出电机转速或频率，如果不是50Hz, 需要核算功率是否够用，在下面的说明中进一步解释。

6.冷却方式。自风冷或强迫风冷，如果不经常工作在低速状态，就可以选择自风冷，特别是进入弱磁状态，由于转速高于额定转速（一般50Hz）,风量更大，冷却效果更好。

7.工作制，起升机构一般是S3 – 60%, 小车S3 – 40%-60%, 大车S3 – 25%, 俯仰机构为S2 5-10分钟。这种工作制下，电机输出功率会大一些。

8.安装形式。需求同样来自机械的要求，

9.环境温度。一般产品目录的S1, 40°，如果环境温度不同，电机输出功率不一样，如温度降容曲线图所示。

10.安装海拔。产品目录的数据是适用于海拔低于1000米，如果高于1000米，需要降容使用。

11.其他选项。根据国标和起重行业标准，以及港口使用环境，需要认真选择选项。电机到货之后，一般很难或无法更改，而价值又高，替代性也不强，因此尤其需要谨慎。

以下是常用的选项：

1)编码器，脉冲编码器是做成速度闭环的必备选项，需要注意采用HTL还是TTL信号；绝对值编码器，作为位置测量的重要元器件。

2)防潮加热器，起重机停止时开启加热，除湿，防止电机由于潮湿而绝缘降低，甚至损坏。

3)热敏电阻，电机温度检测，实现过热保护。

4)接线盒方向，通常从非输出端看：左侧、右侧和上部。接线盒的方向需要考虑电缆桥架的布置，否则安装困难，或徐亚奥更多电缆和桥架，也占用空间。接线盒电缆孔径是否足够，否则可能电缆安装很困难，甚至无法安装，装不上去接线盒得钻孔，一般是铸铁材料，用电动工具钻容易导致裂开，从而报废，还得在铣床上铣孔，成本高时间长。

表一，电机产品目录数据（摘自英梦达Catalog D 81.1 | Edition 04/2024）

Six.起重机电气设计分享_电机校验（4）

一．电机校验的目的

电机的校验就是计算电机在不过热的情况下能继续工作，即不会过热。

电动机在运行时，产生的热量使电动机的温度上升；在温度上升的同时，将向周围空间散发热量。所以，电动机的温升曲线实际上是电动机产生的热量和散发的热量之间互相平衡的结果。如果散热条件好，电机输出功率就会大一些。

电机的温升时间常数τ值，小型电机一般为30分钟；大型电机一般为3～4小时。

电机在选型之后，需要进行校验。目的是电机的功率和输出力矩够用，但不要太大，刚刚够用就行，一是要考虑项目成本，二是大马拉小车费电，运行成本高。

二．电机功率在不同工作制的增容系数

电机在不同的使用场合，输出功率需要修正,有时降容，有时增容。

电机产品目录的数据是S1、40°、100%工作制的数据，实际使用时，一般起升机构是S3 60%;小车机构是S3 40%;大车机构是S3 25%。

可以请客户提供工作制数据，如果客户不提供，可以从起重机械国家标准GB/T 3811获取 ，

如下表一

表一：起重机械GB/T 3811 工作制数据

从S1至S3的功率有增容系数，系数可以从产品目录查询。如果产品目录里面没有这些数据，则可以请电机制造商提供计算公式，以下是西门子大型电机从S1折算到S3的一种计算公式。

其中： 

TE是电机的温升时间，每种基座号的电机有所不同，从25至60分钟不等。

TA= 4* TE

tB：通电时间

tS：断电时间

计算很复杂，还得用excel计算功能做一个自动计算表格来计算，否则算起来挺累的，又是指数函数又是开根。简易的方法是向电机厂家将增容系数要过来，这就省心，毕竟我们现在人工费挺贵的，除非一次性计算好以后要用的时候查询。所以方便的做法是向电机厂商将增容系数直接要过来，如表二西门子电机折算系数所示，通过查表获取增容系数。

表二. 西门子电机在S2和S3工作制下的增容系数

从上表查询到1LA7/6/5系列电机，机座号为100-225， 4极电机S3 60%时增容系数fs3=1.09; S3 25%时增容系数fs3=1.26; S1折算到S3计算公式如下：

Pact = fs3 * PS1

S1至S3、60%的增容系数最小为1.08，即只增加8%的功率，是不是没有必要计算在内？如果粗矿一些，可以忽视。但是，我认为，作为专业人士，需要认真考虑所有因素，电机成本占硬件比重大，需要选出刚刚够用的电机，以提高电气系统的性价比；何况，有时需要将详细计算书提供给客户，有时往往输出功率和输出力矩相差不大，不将这增容系统计算在内可能通不过，特别是几方一起的大型的设计审查会，虽然差一点点，这可能会成为否决的理由（特别留意有人不支持您这一方），带来的损失会不小。

三．使用环境温度和海拔对电机功率的影响。

环境温度高于40°时，由于散热条件差，电机会降容。国内起重机的使用场所，很多地方，夏天气温会高于40°， 电机安装在机房，如果隔热效果差，又没有良好的散热，环境温度更高。铸造吊由于安装在炼钢车间，钢水热量辐射，温度也经常高于40°，特别是夏天。 因此需要考虑降容系统。所以，要求客户提供通风良好的机房，也是提高电机性能的一个因素。

高海拔同样是由于空气稀薄导致散热条件差，电机需要降容使用。

温度和海拔各有降容系数，可以从产品目录获取，如果没有，可以根据电气设计手册或国标查询得到相关系数。

以下表三是英梦达（原西门子）电机产品目录查询到的温度和海拔的综合系数，计算更方便一些。

表三. 英梦达电机安装海拔和环境温度综合降容系数

如果环境温度是55°，海拔1500米，从上面表三可知降容系数是0.84,电机功率降低了16%， 下降比例挺高的，很有可能选择的电机容量不够，所以，这是电机校验的很重要的一步。

本篇到此结束，下一篇再聊力矩校验。感谢您的阅读。2026-02-20

 

Seven.起重机电气设计分享_电机校验（5）

接上篇

四. 电机输出功率和力矩的校验

选择了合适的电机之后，需要校验电机的功率和输出力矩是否满足在各种工况下的需要。主要包括以下几个运行状态：

1)在额定负载状态下加速启动时，电机最大输出力矩满足负载加速所需要的总力矩的要求。

2)在额定负载状态下匀速运行时，电机输出功率满足负载加速所需要的总功率的要求。

3)在空载状态下加速启动时，电机最大输出力矩满足空载加速所需要的总力矩的要求。

4)在空载状态下匀速运行时，电机输出功率满足空载加速所需要的总功率的要求。

5)大型造船门机主钩有三挡运行速度的情况，还需要考虑半载加速和匀速运行状态。

校验之前，需要机械设计工程师提供以下数据：

1)额定负载匀速运行时所需电机的功率、转速、匀速力矩和加速力矩。

2)额定负载加速运行时所需电机的功率、转速、匀速力矩和加速力矩。

3)空载匀速运行时所需电机的功率、转速、匀速力矩和加速力矩。

4)空载加速运行时所需电机的功率、转速、匀速力矩和加速力矩。

造船门机主钩一般有三种速度，即在空钩、半载和满载速度，常见的有满载时的速度是3米/分钟，半载是6米/分钟，空载是9米/分钟，因此主钩还需要以下数据：

1)半载匀速运行时所需电机的功率、转速、匀速力矩和加速力矩。

2)半载加速运行时所需电机的功率、转速、匀速力矩和加速力矩。

1.电机功率校验

为了叙述简洁，这儿的校验先不考虑前一章阐述的电机功率增容或降容系数（如果需要考虑，乘以一个综合系数）。

电机功率校验一般是考核重载加速的运行状态，核算功率是否够用，特别是集装箱起重机，因为加速时间短，加速功率占比很大。电机具有很强的过载能力，而且过载时间一般可达5分钟，因此在重载加速时需要充分利用电机的过载能力,否则选的电机大很多。从电机产品目录能查询到电机过载倍速，从表三的TLR/Trated可获得堵转力矩过载倍速，也就是功率的过载倍速，

因为:

Prated= (Trated * nrated)/9550.(式1)

所以：

Pmax= (Trated * nrated)* Prated.(式2)

a.当机械计算要求电机的转速是电机额定转速时：

如果重载加速阶段，Pmax≥ Pact + Pacc; Prated≥ Pact；则功率满足要求。

用同样的方法验算空载功率和半载功率。 

b. 当机械计算要求电机的转速不是电机额定转速时，需要将电机的功率折算到相应转速下的功率。如上式1所示， 在额定转速下，电机为恒转矩特性，即电机输出力矩 T = Trated

Poutput= (T * nact)/9550.(式3)

即输出功率与转速成正比。如下图一所示。因此，需要用运行速度下的输出功率代替额定功率，即代替式2的Prated计算Pmax。

图一：电机输出功率和转速曲线图

也许有人有疑问：为何重载转速不直接运行在电机额定速度？这样电机的功率能充分利用。一般来说确实是这种情况。但总有特殊情况，如下表二，造船门机的主起升有3档速度，3、6、9米/分钟，机构所要求的电机转速分别是680、1360、2040转/分（rpm）。电机重载转速不是在50Hz 的同步转速600、750、1000、1500或3000 rpm。所以需要将电机功率根据转速进行折算。

可不可以将重载转速设计在50Hz的同步转速600、750、1000、1500？同样地会遇到困难，一是需要3倍弱磁，可能达到电机转速的机械强度限制值，因为电机旋转会产生离心力，转速越高离心力越大，速度会超出表一、表二的速度机械限制值。这儿以英梦达电机为例，其他厂家除特殊设计的高速电机外，基本相似。

是否可以将半载速度设计在50Hz的同步转速？同样会遇到启动力矩的问题。详细情况在下一篇陈述。

表一：电机机械限速表1（以英梦达/西门子电机为例）

表二：电机机械限速表2（以英梦达/西门子电机为例）

表三：英梦达（原西门子）电机数据（部分）

本篇比较长，各位看官累了，稍作休息。下一篇再聊电机树池力矩校验，也回答本章末尾的问题。

2026-02-24 （马年开工日，祝大家马年开门红！）

Eight.起重机电气设计分享_电机力矩校验（6）

接上篇

2.电机输出力矩校验

是不是做了电机功率校验就不需要做输出力矩的校验？力矩校验是必须的，因为起重机为了提高作业效率，起升机构需要弱磁调速，即负载越轻速度越高；电机需要运行在额定速度以上。电机进入弱磁区间运行时为恒功率特性,即力矩与速度成反比降低，如以下公式（4）。

电机不超过额定转速时，电机输出力矩等于额定转矩。

电机在额定转速以上运行时，电机输出力矩与速度的关系如下式（4）

Toutput=（9550 * Prated)/ nact  式（4）

为了充分利用电机性能，不要选择过大容量的电机，再加速启动阶段，需要利用电机过载能力；即利用电机最大输出转矩能力用于加速阶段。

电机不超过额定转速时，电机最大输出力矩Tmax根据（式5）计算。

Tmax= f *Trated 式（5）

其中f1 为电机过载倍数，Trated 为电机额定输出力矩，这两个数据都可以从产品目录查询。

电机在额定转速以上运行时，电机最大输出力矩Tmax根据（式6）计算。

Tmax= (f1 *Trated)/n2  式（6）

其中n为电机实际速度。

从式（4）和式（6）可知，电机进入弱磁区间运行时，输出力矩与速度成反比；最大输出力矩与速度的平方成反比，因此比输出力矩衰减更快。

起重的起升机构是位能负载，会受到扰动，因此最大输出力矩按以下公式计算

Tcr= (f2 * f1 *Trated )/n2式（7）

其中f2取值范围在0.7至0.85之间，即留有15%-30%的安全余量。为什么留余量？考虑到起重运行的安全性。

起升机构在下降加速过程中，重物的引力减去电机输出力矩后为加速力矩，进入弱磁区间以后，电机最大输出力矩会越来越小，如果无法提供更大的力矩减小向下方向的加速度，下降速度会越来越快，而电机最大输出力矩会更小，无法提供符合按速度给定值运行所需要的力矩，进入恶性循环，导致下降超速或失速，从而导致事故。这也是我们需要OEM提供弱磁曲线，仔细核算的原因。如果OEM无法提供弱磁曲线，我们需要根据式（7）进行力矩校验，确保运行速度不会失控而导致事故。如下图3所示。

图3：电机运行安全裕量。

考虑到在额定速度之前的加速阶段还没有进入弱磁区域，速度也不高，也可以只考虑核算进入弱磁之后的状态，即最高速度时，最大力矩 ≥1.3倍额定力矩，如式（8）。

Tmax≥1.3 *Trated式（8）

保留30%的安全裕量。这也是电机允许运行的最高转速。如图4以西门子电机1LA8317-6为例所示。

图4： 电机最大力矩和输出力矩与速度关系曲线图

以上是电机的功率和力矩校验方法，下面以800吨造船门机为例做校验示例。

造船门机主要技术数据如表三。

表三：800吨造船龙门起重机项目数据

客户提供的主起升机构各档速度所需要的功率，转速、匀速力矩和加速力矩如表四所示。

表四：800吨造船门机主起升和副起升（主钩和副钩）在不同负载下运行时的功率和力矩

根据计算的热功率，主起升Ⅰ/Ⅱ 选择西门子1PQ8 317-6PB，6极，250KW电机，主起升Ⅲ选择西门子 1PQ8 355-6PB，6极，315 KW电机。然后根据式（4）、式（5）、式（7）分别计算电机最大力矩和输出力矩，是否符合力矩要求。

详细的计算步骤就不啰嗦了，有兴趣可以自己算一遍。

电机的同步转速是1000rpm, 主起升Ⅰ/Ⅱ在680rpm时的功率是170 KW, 满足120.3 KW热功率的要求。

再回顾上一篇的问题：是否可以将半载速度设计在50Hz的同步转速？综合考虑电机允许最大转速限制、弱磁倍速限制（最大输出力矩不满足要求）和使用速度下的实际输出功率，就能找到问题的答案。

以上是电机功率和力矩检验的所有步骤。

2026年3月1日。

 

Nine.起重机设计分享_电机选项的选择(7)

电机设计选型-订货号选项的选择

电机校验通过之后，电机的系列就可以确定下来。然后再确定其他所有选项，做成完整的订货号。

起重电机的选项主要包括：冷却方式，安装形式，抱闸（有时大车会选择带抱闸的电机），编码器选择，接线盒方向，IP保护等级，过热保护，防潮加热，表面颜色，绝缘等级等等。

接线盒方向需要与客户的机械设计确认清楚，而且要注意是从DE或NDE来看，因为左右从这两方向看刚好反了。如果选错了，很可能无法安装，如接线盒在钢丝绳卷筒侧，没空间或空间很少。虽然可以将电机转子拆出来掉个方向安装，但如果已经安装在机房，要从几十米的机房吊下来，再运往维修车间，调好方向运回来，很费时间和成本，会导致客户的强烈不满。就算能勉强安装，电缆桥架的布置和接线安装也会很困难。

如表7-1，Q11-Q79是选择不同的热敏传感器PTC或Pt100, 以及热敏传感器的输出信号。

过热保护是国际/国家标准和行业标准要求，电机也比较贵，一般技术规格书或招标书也都有这要求，因此热敏传感器是必选项。虽然变频器可以通过I2t模拟电机发热状况实现保护，但电机的温度传感器测温是必要的。

表7-1：电机过热保护选项

表7-2是如何选择脉冲（增量）编码器。在做成速度闭环的驱动系统，需要安装电机速度测量的速度编码器，速度编码器有多种–正弦波信号、电压信号，HTL和TTL脉冲信号。起升和小车需要做成速度闭环，大车最好也是闭环；经常有客户探讨是否可以用开环，如果从仅仅能够使用的角度，也确实能用；但从调速性能、启动阶段（特别是接近零速）的电机力矩输出，以及安全性来说，起升和小车需要做成速度闭环。西门子Masterdrive系列变频器只有HTL信号接口，因此编码器信号也选HTL信号，否则还得增加信号转换板。西门子SINAMICS S120系列变频器，选用SMC30编码器模块时有HTL和TTL信号接口，两种信号形式都可以选择。

从设计角度，对需要做速度闭环控制的电机，最好选择电机带编码器，否则需要预定安装孔、还需要与选择的编码器的安装轴匹配大小，否则可能装不上去；如表7-3 G40-43所示。现场编码器的安装也是一个风险，客户现场安装钳工如果不熟练，也容易损坏。与OEM的沟通也是成本，除非这块OEM自己订购编码器和安装。

除脉冲编码器之外，对位能负载，还需要选则超速开关进行超速保护。对于起升（卸船机包括开闭）和俯仰机构，超速保护是国标和行标的要求。超速保护开关可以选择与编码器二合一装置，一般安装在电机非输出轴。其他地方也不容易安装。

根据测量位置的要求，有时还需要选择绝对值编码器来测量个机构的位置。如果考虑安装方便，可以选择脉冲编码器+绝对值编码器+超速开关三合一的装置，可以一次性装好。测量位置也不是一定要装绝对值编码器；可以利用脉冲编码器的信号分一路去PLC高速计数模块，通过数脉冲数，每个脉冲对应的位移来计算位置值。即：

S = a * P +b

其中S是PLC计算的位置值，与实际定义的位置值一致，我们通常定义起升机构大车轨道平面为0米，即吊具底部或抓斗闭合时的底部位置在轨道面位置，上升为正，下降为负。

a是每个脉冲对应的位移值，通过齿轮箱变比，钢丝绳卷筒直径和钢丝绳直径计算。那是理论计算值，一般不用那么麻烦，起升一段几米的距离，测实际上升值，再看看PLC记录脉冲数，就可以量化a值；或大致取个数据看变化比例，调整a值，是变化值与实际位移相符合，通过几次调整就很精确。

b 是偏移值，容易确定，吊具或抓斗在0位置，S=0就可以。

变频器里面也有计算位置的功能，同样可以使用。

对于无人操作的自动化起重机，位置的准确性非常重要，因为牵涉到准确定位和安全，可以采用两种方法计算位置，如脉冲编码器+计数模块和绝对值编码器。

表7-2 电机脉冲编码器的选项。

表7-3 电机脉冲编码器的预留安装形式

IP保护等级是根据安装场合–室外或室内–来确定，室外安装需要IP55, 室内可选IP23; 也有客户要求室内用IP55保护等级，需要根据客户要求离选择。

加热器是起重机在停止运行后，为了防止潮湿，加热，将湿气排出电机，防止电机由于受潮而加快老化。通常在停机5-30分钟后开启，因为刚停机电机本身温度还很高。

电机绕组的绝缘等级，如表7-4所示。即允许电机温升，N01-N08允许温升是155°。冶金行业特殊场合的起重机械有行业标准的要求，如铸造吊由于环境温度高，散热条件差，有这要求。有些标书虽然没有提出这要求，但通常会要求符合行业标准，实际上是有这要求，除非与客户签订的技术协议做了绝缘的说明，而且客户已经同意。

表7-4 电机绕组绝缘

电机的选项很多，虽然不是每项都会涉及，但我建议还是都看一遍，有个总体印象，在做选项选择的时候不会遗忘。

从设计选型来说，工作已经完成，下一篇聊聊自查和审查。

2026年3月8日

 

Ten.起重机电气设计_电机选型计算书和检查表（8）

一．电机设计选型依据。

项目的设计需要满足客户要求，具体来说是根据以下需求来做设计和选型：

1.起重机的电气技术要求有：

1)招标阶段，根据标书技术要求的电气部分来选择电机。如果收最终用户的招标文件，可能没有对电气的具体要求，则需要OEM提供电机的基本信息用于选型；对于粗略的估算，可以根据同等类似的机型进行选型，一般不会偏差太大。这就要求我们将所有完成的项目进行归档，归纳不同的OEM不同机型的主要电气器件，如电机、驱动系统、PLC CPU和模块的数量、大电流的低压器件。主要元器件清单是项目投标成本的重要部分。

2)初步设计阶段，根据与客户签署的技术规格书或技术协议的要求选型。一般来说，技术协议有明确的供货范围，并且电机的主要数据也已经确定，如果有模糊的陈述，则在开工会或第一次技术澄清时做进一步的详细描述。

2.国际标准、国家标准和行业标准；国际标准主要是 IEC 60204-32；国家标准主要是 GB6226.2, 与 IEC 60204-32要求基本一致；起重机设计规范是GBT3811;行业标准比较多，是针对特殊行业的要求。我们所有的设计都必须符合以上标准的要求，如果与客户端的要求有冲突，需要与客户详细澄清并确认。

图8-1， 国际标准IEC 60204-32

3.客户提供的数据，如前面文章所列举的，各运行阶段的所需电机功率、转速和力矩。客户有时不提供这些数据，则可以将选好的电机数据请客户确认。

4.其他的要求：如安装形式，接线盒方向等详细的要求。

以上是设计选型输入，即设计的依据，满足客户要求，也就是满足以上文件的要求。

二．电机设计选型计算书

根据设计输入进行选型的时候，有一些计算过程，如前面文章所述，根据负载和速度计算起升电机的功率。选型之后，需要对电机在不同运行速度下进行功率和输出力矩校验，核算是否符合要求，其中的计算量更多。

为了提高效率，同时减少误差（有时挨个计算时难免输错一些数据和参数），我们将选型和检验做好选型模版，通常用Excel表格制作计算书，将计算公式设计在表格里面，将设计输入数据输入之后，就自动计算出结果。

我举一个造船门机的例子，计算书如下：

表8-1：起重机基本数据

表8-2：机构运行速度和电机速度的计算

表8-3： 各种工况下的电机计算功率

表8-4： 电机选择和力矩校验

个人经验：自己预先做好计算书，提高效率，消除计算误差。计算书也需要自己设计，或团队设计一个共用的计算书，向别人要过来的也是要消化吸收，跟自己做觉得没什么区别。

三．自检和审核

选型之后，需要自检和审核。自检就是选好的电机与设计输入检查一遍，以免遗漏某些需求。

审核就是设计审查，自己做的设计，自检不一定能检查出问题，因为是同一个思路去考虑。设计审查是其他资深工程师对设计进行检查和审核，不仅仅是电机，适用于所有的设计。从审查者的视觉容易发现一些设计失误或遗漏的功能。

设计审查的工程师需要丰富的经验，否则难以发现问题。除了经验之外，同样需要合适的方法，如果审查需要检查的各项数据只是记在大脑里面，凭记忆逐条检查，记忆力衰退或本身记忆力就一般，也就会漏检。

我的经验是做一个完整的检查列表，更具列表逐条检查，就能检查全面，避免漏检。

以下是电机检查表的一个范例，供大家参考。

表8-5：电机选型检查表（1）

表8-6：电机选型检查表（2）

本篇位电机选型计算结束篇。欢迎大家交流探讨。

2026年3月15日