永磁技術(shù)在鉛鋅選礦球磨系統(tǒng)中的應(yīng)用

王鋒軍 鄭睿 王峰

【關(guān)鍵詞】高能耗老舊電機(jī);永磁再造;柔性永磁耦合器;安裝基礎(chǔ)不變;節(jié)能環(huán)保;減震

【中圖分類號(hào)】TP3 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）10-0070-03

0 引言

球磨機(jī)是陜西鉛硐山礦業(yè)有限公司、陜西有色旺峪礦業(yè)有限公司鉛鋅選礦的重要設(shè)備之一，自20世紀(jì)90年代安裝以來，運(yùn)行穩(wěn)定、原礦研磨細(xì)度良好。目前，球磨機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，還有較長的使用壽命，但驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)屬于老舊高能耗產(chǎn)品，已列入《高耗能落后機(jī)電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄》，必須強(qiáng)制性淘汰;所配套的液力耦合器存在傳遞效率較低、發(fā)熱量大、連續(xù)運(yùn)行中出現(xiàn)因溫度過高導(dǎo)致噴油嘴噴油、檢修維護(hù)拆裝困難等弊端。

本文詳細(xì)介紹陜西鉛硐山礦業(yè)有限公司對球磨機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行永磁節(jié)能改造的過程，該系統(tǒng)由電機(jī)永磁再造（含變頻電控）和永磁耦合器柔性連接（無鐵芯永磁渦流傳動(dòng)技術(shù)）“雙永磁系統(tǒng)”組成。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①改造施工耗費(fèi)時(shí)間短，不影響正常生產(chǎn);現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)無須改動(dòng)，可以利用月檢修時(shí)間實(shí)施。②達(dá)到現(xiàn)行國家一級(jí)能耗標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)測節(jié)電12%。③具有過載保護(hù)和柔性啟動(dòng)功能且拆裝、調(diào)試方便，能保護(hù)設(shè)備和縮短設(shè)備停機(jī)檢修時(shí)間。

下面從電機(jī)永磁再造和永磁耦合器柔性連接兩個(gè)方面分別進(jìn)行論述。

1 電機(jī)永磁再造技術(shù)

與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)特別是稀土永磁同步電機(jī)具有損耗少、效率高、節(jié)電效果明顯的優(yōu)點(diǎn)[1]。永磁電機(jī)與普通三相異步電動(dòng)機(jī)相比具有較大的優(yōu)勢：不存在電勵(lì)磁和相應(yīng)的損耗，永磁轉(zhuǎn)子不發(fā)熱，功率密度高;高效率運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍寬，節(jié)能效果顯著，尤其在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，節(jié)能優(yōu)勢更加明顯;啟動(dòng)性能好，設(shè)計(jì)時(shí)可使轉(zhuǎn)子繞組完全滿足高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，一般設(shè)定為2倍，甚至更大。

現(xiàn)有老舊設(shè)備改造中，新型永磁電機(jī)（包括其他高效能電機(jī)）機(jī)座和電機(jī)軸與原有老舊高能耗電機(jī)并不一致，如果直接購置成品電機(jī)，必須重新更改電機(jī)基礎(chǔ)，施工周期需要15 d以上，整個(gè)生產(chǎn)線停工等待時(shí)間長，極大地影響了企業(yè)的生產(chǎn)進(jìn)度和效益。陜西有色旺峪礦業(yè)有限公司技術(shù)改造人員結(jié)合高性能稀土永磁材料特性，利用原有老舊高能耗電機(jī)進(jìn)行永磁化再造，再造后的三相永磁同步電機(jī)達(dá)到國家一級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)，從而達(dá)到節(jié)約用電、循環(huán)利用及縮短改造施工周期的目的。

1.1 永磁再造技術(shù)原理

普通Y系列三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子植入永磁體，能徹底消除勵(lì)磁電流，從而消除了轉(zhuǎn)子損耗。當(dāng)電機(jī)的三相定子繞組通入三相交流電后，將產(chǎn)生一個(gè)同步旋轉(zhuǎn)磁場，此磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，降低了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的損耗。同時(shí)，轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生鐵損耗和渦流損耗，降低了電機(jī)的自身損耗，高功率因數(shù)使得定子電流較小，定子繞組電阻損耗較小，能提高運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能、降耗目的。

1.2 高能耗電機(jī)永磁再造步驟

（1）根據(jù)公司現(xiàn)有在使用的電機(jī)工況進(jìn)行節(jié)能技術(shù)評(píng)估，提出電機(jī)能效提升方案和進(jìn)行電機(jī)改造投資效益分析。

（2）對適合再制造的舊電機(jī)進(jìn)行工況技術(shù)性能分析，現(xiàn)場測試電機(jī)功耗、電流、功率因素等參數(shù)，獲取電機(jī)負(fù)載運(yùn)行軌跡、電機(jī)轉(zhuǎn)矩等機(jī)械物理特性。

（3）對需要永磁化再造的三相異步電機(jī)進(jìn)行基本性能分析，通過絕緣檢測、動(dòng)態(tài)性能檢測后，確定定子線圈、軸承是否需要更新改進(jìn)，轉(zhuǎn)子進(jìn)行永磁化再制造，使舊電機(jī)性能發(fā)生根本變化，電機(jī)能效、功率得到極大的提升，達(dá)到國家一級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)，從而使老舊高能耗電機(jī)重新煥發(fā)生機(jī)。

在電機(jī)永磁化再制造過程中，不需改變電機(jī)的外型和安裝尺寸，機(jī)座號(hào)和轉(zhuǎn)子外徑保持不變，確保電機(jī)能效提升改造工程施工周期短，改造工作效率高，對公司生產(chǎn)的影響降至最低。

1.3 電機(jī)再造流程

電機(jī)再造流程如下：舊電機(jī)拆解;定子線圈更換高性能、高絕緣等級(jí)的線圈;轉(zhuǎn)子加工制造：車小轉(zhuǎn)子軸徑→在適當(dāng)位置開槽→植入永磁體→安裝襯套;更換軸承;清洗外殼，浸油漆;組裝成型，調(diào)試檢測，驗(yàn)收合格出廠;安裝運(yùn)行、調(diào)試、使用。

1.4 再制造后達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

（1）綜合節(jié)電率達(dá)到12%。

（2）改造完后的節(jié)能電機(jī)與原型電機(jī)基座尺寸與軸距長短一致，安裝方式相同，設(shè)備改造時(shí)間大幅縮短，由15 d縮短至0.5 d。

（3）功率因數(shù)可提高到96%以上。

（4）電機(jī)轉(zhuǎn)速為750 r/min（同步轉(zhuǎn)速），原轉(zhuǎn)速為724 r/min），不隨負(fù)載大小而改變，提高了生產(chǎn)效率和工藝水平。

（5）電機(jī)運(yùn)行溫度降低15 ℃。

再造后的95 kW電機(jī)調(diào)試檢測表見表1;永磁電機(jī)性能測試圖如圖1所示;再造后的95 kW電機(jī)調(diào)試檢測表見表2。

2 永磁耦合器柔性連接技術(shù)

球磨機(jī)配用液力耦合器連接電機(jī)和減速機(jī)，實(shí)現(xiàn)了柔性啟動(dòng)，減少了啟動(dòng)設(shè)備時(shí)的沖擊[2]。在使用過程中發(fā)現(xiàn)液力耦合器存在下列不足：①液力偶合器發(fā)熱量很大，傳遞效率較低，設(shè)備運(yùn)行中液力耦合器發(fā)熱程度達(dá)到易熔塞中合金熔化溫度時(shí)，易熔合金熔化，油液在離心力作用下從小孔噴出，切斷輸入與輸出的動(dòng)力傳動(dòng)，保護(hù)過載，有污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn);②液力偶合器需要定期更換油品，維護(hù)且拆裝困難，檢修工作量大，工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，通常需要1個(gè)工作日的時(shí)間進(jìn)行檢修，運(yùn)行費(fèi)用較高;③液力耦合器對中要求苛刻，在對中超差的情況下運(yùn)行，難免會(huì)對電機(jī)和減速機(jī)的軸系包括軸承和油封造成損傷，增大了系統(tǒng)的維護(hù)成本;④易發(fā)故障，危及系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。

陜西有色旺峪礦業(yè)有限公司的技術(shù)改造人員利用電渦流效應(yīng)和楞次定理，把一塊導(dǎo)體放在變化著的磁場中或相對于磁場運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于導(dǎo)體內(nèi)部可以構(gòu)成閉合回路，穿過回路的磁通會(huì)發(fā)生變化，因此在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。只要電流在金屬塊中形成閉合回路，就可以稱為渦流。感應(yīng)電流的磁場總會(huì)阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。這樣就可以將永磁耦合器分為2個(gè)互相獨(dú)立、有3 mm左右間隙的核心部件：①永磁轉(zhuǎn)子——構(gòu)建源磁場;②導(dǎo)體轉(zhuǎn)子（銅盤或鋁盤）——產(chǎn)生感應(yīng)磁場。導(dǎo)體轉(zhuǎn)子/永磁轉(zhuǎn)子分別與電機(jī)/負(fù)載同軸連接（安裝位置可以互換）。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子在源磁場中旋轉(zhuǎn)，即切割磁力線，便在導(dǎo)體轉(zhuǎn)子中感生出渦電流，該渦電流伴生出感應(yīng)磁場。由于動(dòng)態(tài)的源磁場與感應(yīng)磁場相互作用，因此可拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在電機(jī)與負(fù)載之間以非接觸的方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。柔性永磁耦合器采用自然風(fēng)冷或強(qiáng)制風(fēng)冷，永磁轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子之間存在2%的滑差。

通過原有電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩（1 253 N·m）確定永磁耦合器折算扭矩參數(shù)，進(jìn)而確定永磁轉(zhuǎn)子磁通量、導(dǎo)體轉(zhuǎn)子盤尺寸等一系列參數(shù)，目前柔性永磁耦合器已經(jīng)系列化。

液力耦合和磁力耦合（渦流式）對比表見表3，傳統(tǒng)更新和“雙永磁系統(tǒng)”技改對比表見表4。

傳統(tǒng)更新停產(chǎn)損失和設(shè)備、人工、材料費(fèi)用合計(jì)92.5萬元，年節(jié)約電費(fèi)3萬元左右;“雙永磁系統(tǒng)”技改停產(chǎn)損失和設(shè)備、人工、材料費(fèi)用合計(jì)27.7萬元，年節(jié)約電費(fèi)6萬元左右;并且，“雙永磁系統(tǒng)”技改沒有環(huán)保隱患，后期維護(hù)費(fèi)用較低，優(yōu)勢明顯。

3 結(jié)論

“雙永磁系統(tǒng)”在不改變安裝基礎(chǔ)的情況下對球磨機(jī)電機(jī)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)速永磁再造，同時(shí)用無“軸肩力”的永磁耦合器替換傳統(tǒng)液力耦合器共同驅(qū)動(dòng)球磨機(jī)恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

（1）根據(jù)現(xiàn)場使用條件定制永磁電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以達(dá)到最佳的節(jié)能效果，綜合節(jié)電率為12%，節(jié)能效果明顯。

（2）無“軸肩力”永磁耦合器屬于非接觸式免維護(hù)柔性傳動(dòng)裝置，正常使用壽命為20～30年，免維護(hù)，設(shè)備震動(dòng)可降低70%以上，有效延長了設(shè)備使用壽命[3]，不使用液壓油，降低了使用成本，減輕了環(huán)保壓力，長期使用具有較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

（3）新系統(tǒng)具有過載保護(hù)和柔性啟動(dòng)功能且拆裝、調(diào)試方便，能有效保護(hù)設(shè)備安全運(yùn)行和縮短設(shè)備停機(jī)檢修時(shí)間。

（4）“雙永磁系統(tǒng)”已經(jīng)使用一段時(shí)間，使用效果良好，具有較好的市場應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陳磊，李洪章.永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析[J].電站系統(tǒng)工程，2011，27（4）：34.

[2]蔣德洪，劉曉曄，周建中.磁力耦合器在輥壓機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用[J].水泥，2015（7）：38-40.

[3]刁成華，劉亞洲，黃忠念.永磁耦合器在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)隔振減振中的應(yīng)用研究[J].冶金動(dòng)力，2019（2）：58-62.