廣東電網(wǎng)有限責任公司汕頭供電局 孔祥美 劉 程 林少偉 廖麗陽 洪偉程

在我國，能源資源產(chǎn)地與能源使用地區(qū)間存在較大的不均衡，這促進了“南北互供、西電東送、全國聯(lián)網(wǎng)”三個主要措施在我國的開展實施。輸電線路作為措施執(zhí)行過程中極為重要的一個環(huán)節(jié)，其長期暴露在自然環(huán)境中，較多地受到氣象條件和環(huán)境因素的影響。電網(wǎng)出現(xiàn)嚴重故障不能正常供電的情況，主要就是由于輸電線路中的設(shè)備存在缺陷。為了保證電力輸送系統(tǒng)進行可靠、穩(wěn)定的電力輸送，針對輸電線路進行一定頻率的巡回檢查重要且必要。

由于輸電線路所處的地域廣闊，跨越多種地形結(jié)構(gòu)、地理構(gòu)造和氣候條件，其中部分桿塔架所處的地段地理條件和氣象條件尤為惡劣，在外界環(huán)境作用下容易導(dǎo)致輸電桿塔螺栓松動，因此每隔3～5年要對輸電桿塔螺栓緊固工作。目前進行螺栓的緊固工作主要依靠使用力矩扳手。力矩扳手的動力供應(yīng)方式主要包括電動驅(qū)動、氣體驅(qū)動、液壓驅(qū)動三種類型[1]。其中電動驅(qū)動在三種類型中是目前應(yīng)用最多的力矩扳手動力驅(qū)動類型。它有如下突出優(yōu)點：高性價比、大功率、操作方便、易于維護等[2]。

電動力矩扳手作為一種電力驅(qū)動的機械工具，用于對輸電線路中電力設(shè)備進行螺栓緊固、螺母的拆卸、電力設(shè)備的安裝和拆卸等[3]。電動力矩扳手又叫做定扭矩電動扳手，是指可以通過功能設(shè)置來調(diào)整扭矩值大小的的電動驅(qū)動扳手[4,5]。目前國內(nèi)輸電鐵塔螺栓緊固采用工人手持扳手完成緊固操作，該過程效率低、輸出扭矩小，扭矩的控制精度較低，因而無法最大程度上保障螺栓的連接緊固程度是否具備高可靠性。

在輸電線路的實際施工操作中，于野外進行的施工作業(yè)其施工地點多變、施工自然環(huán)境較為復(fù)雜、架設(shè)輸電線路的桿塔往往高度較高、線路設(shè)備的螺栓規(guī)格種類及數(shù)量繁多、且要求施工時緊固效率要高[6]，因此必須通過電動力矩扳手的使用才能保證較大的力矩輸出，以提高線路架設(shè)和檢修施工中機械化作業(yè)效率、降低施工人員的總勞動強度，節(jié)省人力成本。

輸電桿塔螺栓緊固是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要保障，傳統(tǒng)的人工緊固操作方法效率低，輸出扭矩小，扭矩控制精度低。針對以上問題，本文對電動力矩扳手進行了研究，研究表明，對轉(zhuǎn)子總斜極角度為最佳斜極角度時，齒槽轉(zhuǎn)矩峰值下降更為明顯；且隨著轉(zhuǎn)子分段數(shù)的增加齒槽轉(zhuǎn)矩下降越多。

1 電動力矩扳手的工藝原理

力矩扳手也叫扭力扳手或扭矩扳手，力和距離的乘積稱之為力矩。我們需要控制力距的大小，從而保證在緊固或拆卸螺栓等螺紋緊固件時，既能夠滿足緊固和拆卸的標準要求、又不至于因力矩過大而破壞螺栓等構(gòu)件。所以在使用扭矩扳手來緊固或拆卸螺栓等螺紋緊固件時，需要事先設(shè)置好扭矩值的上限，當工作過程中施加的扭矩值達到事先的上限值時，扭矩扳手會發(fā)出提醒并自動停止轉(zhuǎn)動，這意味著螺栓已經(jīng)緊固或拆卸到事先設(shè)置好的扭矩上限值。

輸電線路鐵塔螺栓緊固或拆卸過程中使用電動的扭矩扳手，實際是在常規(guī)扭矩扳手的原理上、通過電力實現(xiàn)自動緊固或拆卸螺栓的，實現(xiàn)緊固或拆卸過程中使用手動扳手無法實現(xiàn)的力矩。輸電線路螺栓緊固或拆卸一般存在點多、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變、作業(yè)高度高，角度復(fù)雜，螺栓規(guī)格型號多等特點。采用人工緊固或拆卸時間長、效率低。而使用電動的扭矩扳手來緊固或拆卸輸電線路鐵塔上的螺栓，能夠有效提高機械化水平，降低工作人員的勞動作業(yè)強度，提高工作效率。

2 力矩扳手的發(fā)展及現(xiàn)狀

世界上最早的扭矩扳手是圖1所示的手動指針式扭矩扳手，手動指針式扭矩扳手在操作過程中主桿容易變形、指針不變形來產(chǎn)生讀數(shù)，具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、故障低、容易操作的特點[7]。缺點是實際使用過程中誤差大，刻度值不是一成不變的，而使隨著使用過程中力的變化而變化，導(dǎo)致扭矩不容易控制。

圖1 指針式扭矩扳手

隨著扭矩扳手的不斷進步，機械式的過載失效扭矩扳手應(yīng)運而生，機械式的過載失效扭矩扳手通常是棘輪頭構(gòu)造，當給扳手施加的扭矩達到其中彈簧的預(yù)設(shè)后，棘輪頭會發(fā)生打滑，扭矩得到釋放。通過不斷地研究和發(fā)展，扭矩扳手逐漸進入到電子技術(shù)階段，電子技術(shù)應(yīng)用到扭矩扳手里，顯示器、傳感器以及各種微處理器的應(yīng)用產(chǎn)生了數(shù)顯式扭矩扳手。經(jīng)過不斷的發(fā)展與完善，數(shù)顯扭矩扳手技術(shù)目前已非常成熟。

扭矩扳手從傳統(tǒng)的指針式扭矩扳手發(fā)展到現(xiàn)在具備多種功能的數(shù)顯扭矩扳手，扭矩扳手的技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了非常大地跨越。目前現(xiàn)有的扭矩扳手具有以下優(yōu)點：扭矩扳手的各種技術(shù)已經(jīng)相當成熟和穩(wěn)定；操作界面更加的人性化；在數(shù)據(jù)處理方面比較成熟。但也存在較多不足：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和操作復(fù)雜；精度高的價格通常也比較高。所以未來的扭矩扳手應(yīng)該朝著結(jié)構(gòu)簡單、精度高、性能穩(wěn)定等方向發(fā)展。

3 電動驅(qū)動的力矩扳手的電機

電動力矩扳手通常使用的驅(qū)動電機大多以單相串勵電機為主。該電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。由結(jié)構(gòu)圖可知，電樞繞組和勵磁繞組互相串聯(lián)。單相串勵電動機是可以使用交流電、也可以使用直流電的電機，該電機可以通過調(diào)整電壓來進行調(diào)速的方法進行轉(zhuǎn)速調(diào)整[8]，它能夠適應(yīng)的工作電壓范圍很廣；而且該電機在發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障時勵磁電流比較大，不容易發(fā)生燒壞不能使用的情況。

圖2 單相串勵電機結(jié)構(gòu)圖

單相串勵電動機轉(zhuǎn)速快、效率高、功率大，并且單位功率的重量和體積都比較小，因而被廣泛地使用在各種電動機械工具中[9-10]。但它與直流電機的設(shè)計結(jié)構(gòu)比較相似，主要部件包括電樞、換向器、電刷等，所以同直流電機類似，它出現(xiàn)換向器和電刷故障的幾率較大。

對于永磁電機，近年來各廠商在設(shè)計中去掉了碳刷和滑環(huán)結(jié)構(gòu)，因而變得易于維護保養(yǎng)，進而得到更為廣泛的應(yīng)用。早先其被使用在家用的小型力矩電動扳手中。永磁同步電機的勵磁使用的是永磁體，因而其較為突出的優(yōu)點如下。

根據(jù)永磁同步電機的設(shè)計方式，在正常工作情況下，它的定子和轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的磁場將會保持同步轉(zhuǎn)動，因而轉(zhuǎn)子不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，因而轉(zhuǎn)子電阻和磁滯帶來的損耗是不存在的，所以永磁同步電機的功率一般都較高；因為轉(zhuǎn)子中不會有感應(yīng)電流產(chǎn)生，并且其定子繞組表現(xiàn)為阻性負載，所以永磁同步電機的實際使用功率因數(shù)幾乎等于1，進行減少了流經(jīng)定子的電流需要，所以永磁同步電機電效率得以提高。

由于轉(zhuǎn)子電阻小到可以忽略不計，基本不會發(fā)生轉(zhuǎn)子的電阻熱損耗，而且定子繞組又是阻性負載，所以在永磁同步電機中幾乎不存在無功電流，因而在使用中電機所發(fā)生的溫度升也往往較低，最大程度避免了溫度過高導(dǎo)致的元件老化甚至損壞；鑒于永磁同步電機的最新中去掉了碳刷和滑環(huán)結(jié)構(gòu)這兩種部件，其體積、質(zhì)量、耗材用料等都得以較大程度的減?。挥来磐诫姍C在對稱負載時，電樞磁動勢對主極磁場基波產(chǎn)生的影響小，即電樞反應(yīng)小，因而其具備非常強的抗過載能力，穩(wěn)定性得以提高。

永磁同步電機依靠以上5個突出優(yōu)點，更重要的是體積不大、重量輕便、力矩輸出高、功率大、電效率高，使得使用永磁同步電機的電驅(qū)動力矩扳手往往具有便于攜帶且功能強大的優(yōu)點，十分適用于高空作業(yè)，因此本文的設(shè)計中將選擇永磁同步電機作為螺栓力矩扳手的動力電機。

4 永磁電機的齒槽轉(zhuǎn)矩

我們在Maxwell 2D 仿真驗證實驗中使用一臺10極46槽永磁同步電機，其仿真參數(shù)配置下：定子的槽數(shù)46、轉(zhuǎn)子的極數(shù)10、定子的外徑210、轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑75、電機的相數(shù)3。圖3為在總斜極角度的值使用7.5°的時候，齒槽轉(zhuǎn)矩最大值與轉(zhuǎn)子分段數(shù)的關(guān)系函數(shù)。從圖3所示的齒槽轉(zhuǎn)矩最大值與轉(zhuǎn)子分段數(shù)的關(guān)系函數(shù)曲線可知，齒槽轉(zhuǎn)矩會隨著轉(zhuǎn)子分段數(shù)的變大而變小。

圖3 齒槽轉(zhuǎn)矩峰值隨轉(zhuǎn)子分段數(shù)的變化曲線（總斜極角度為7.5°）

圖4是當轉(zhuǎn)子分段數(shù)取值分別為2、3以及4的時候，在7.5°的總斜極角度變化時齒槽轉(zhuǎn)矩最大值的變動情況。由實驗數(shù)據(jù)分析得知，在轉(zhuǎn)子使用分段的斜極結(jié)構(gòu)時，實踐中最優(yōu)的斜極角度與理論上的最優(yōu)值并不完全一致，但差別較小，根據(jù)函數(shù)曲線的走勢，當轉(zhuǎn)子分為兩段進行斜極的時候，最優(yōu)的角度應(yīng)該在3.6°～4.1°左右；當轉(zhuǎn)子分為三段進行斜極的時候，最優(yōu)的角度在5.1°之間；當轉(zhuǎn)子分為四段進行斜極的時候，最優(yōu)的角度在5.6°～6.1°左右。

圖4 齒槽轉(zhuǎn)矩最大值隨傾斜極角度值的變化函數(shù)曲線

進一步研究表明，當轉(zhuǎn)子被分為兩段進行斜極的時候，齒槽轉(zhuǎn)矩的最大值已經(jīng)降低到直極情況的46%上下；而且當轉(zhuǎn)子的分段數(shù)值的增多時，齒槽轉(zhuǎn)矩的最大值下降得越快。參考圖3，可得知轉(zhuǎn)子被分段進行斜極的時候獲得最優(yōu)角度時，齒槽轉(zhuǎn)矩最大值與轉(zhuǎn)子的分段數(shù)的函數(shù)曲線變化如圖5所示。

圖5 齒槽轉(zhuǎn)矩峰值隨轉(zhuǎn)子分段數(shù)的變化曲線

通過圖5可得知，轉(zhuǎn)子的總斜極角度是最優(yōu)角度的時候，齒槽轉(zhuǎn)矩最大值下降非常明顯；并且當轉(zhuǎn)子的分段數(shù)量增多的時候，齒槽轉(zhuǎn)矩最大值下降得越來越快。

綜上，扭矩扳手在輸電線路鐵塔螺栓的緊固或拆卸過程中發(fā)揮著不可或缺的作用，隨著扭矩扳手技術(shù)的發(fā)展，其在輸電線路中的應(yīng)用勢必會越來越廣泛。本文通過對輸電線路桿塔螺栓緊固電動扭矩扳的研究得出，永磁同步電機隨著轉(zhuǎn)子分段數(shù)的增加，電機齒槽轉(zhuǎn)矩不斷減小。進一步研究表明，對轉(zhuǎn)子總斜極角度為最佳斜極角度時，齒槽轉(zhuǎn)矩峰值下降更為明顯；且隨著轉(zhuǎn)子分段數(shù)的增加，齒槽轉(zhuǎn)矩下降越多。