低速直驅(qū)永磁同步電機(jī)在球磨機(jī)上的應(yīng)用

武麗琴，彭培禎

（1.江西特種電機(jī)股份有限公司，江西宜春 336003；2.宜春鉭鈮礦有限公司，江西宜春 336003）

0 引言

球磨機(jī)是低速重載機(jī)械，起動(dòng)力矩大，裝載量大，一般處于連續(xù)工作狀態(tài)，通常采用異步電機(jī)/減速機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。選擇永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)會(huì)使得電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、體積與功率等參數(shù)增加，要想該電機(jī)能夠在球磨機(jī)中得到良好運(yùn)用，需要對(duì)其進(jìn)行充分分析。

1 濕式格子型球磨機(jī)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)與問(wèn)題分析

濕式格子型球磨機(jī)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)是三相異步電機(jī)加減速機(jī)，整體為臥式安裝，減速機(jī)兩側(cè)用聯(lián)軸器銜接電機(jī)與濕式格子型球磨機(jī)，原項(xiàng)目參數(shù)如下：

（1）電機(jī)參數(shù)。功率：160 kW；電壓：380 V；額定轉(zhuǎn)速：745 r/min；額定電流：314 A。

（2）減速機(jī)參數(shù)。型號(hào)：ZDHR600-3.93；速比：3.93。

（3）負(fù)載參數(shù)。傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速：190 r/min。

該傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要存在以下問(wèn)題：

（1）由于減速機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量大，輸出軸端的密封很容易老化損壞，存在漏油現(xiàn)象，增加維護(hù)成本。

（2）從驅(qū)動(dòng)電機(jī)到負(fù)載軸要經(jīng)過(guò)減速機(jī)，傳動(dòng)環(huán)節(jié)多，能量損失大，系統(tǒng)整體效率低下、只有80%左右。

（3）驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大；普通電機(jī)加減速機(jī)整體振動(dòng)大，噪聲大[1]。

2 低速大扭矩永磁同步電機(jī)概述

2.1 電機(jī)特點(diǎn)

永磁直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)，低速大扭矩，結(jié)構(gòu)緊湊、效率高，創(chuàng)新了驅(qū)動(dòng)形式，在攪拌設(shè)備上去掉減速機(jī)結(jié)構(gòu)，采用直驅(qū)電機(jī)和負(fù)載直接相連，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，優(yōu)勢(shì)明顯，主要體現(xiàn)在以下9 個(gè)方面：①去掉減速機(jī)，減少后期維護(hù)量，降低運(yùn)營(yíng)成本；②專(zhuān)用變頻器能夠軟啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流，減少對(duì)電網(wǎng)沖擊，保護(hù)設(shè)備；③專(zhuān)用變頻器能夠無(wú)級(jí)調(diào)速，可以根據(jù)工況調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速，達(dá)到細(xì)化工藝的目的；④直驅(qū)電機(jī)運(yùn)行效率高，可達(dá)到96%，節(jié)約能源；⑤直驅(qū)電機(jī)幾乎免維護(hù)，壽命長(zhǎng)達(dá)20 年以上；⑥該電機(jī)為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，里面是轉(zhuǎn)子，外面由機(jī)殼、端蓋和定子鐵芯組成，定子鐵芯由冷軋硅鋼片沖制的沖片疊壓而成，鐵芯內(nèi)嵌有定子繞組，定子繞組端部被可靠地綁扎，能承受振動(dòng)和沖擊應(yīng)力；⑦轉(zhuǎn)子由冷軋硅鋼片沖制的沖片疊壓而成，開(kāi)內(nèi)槽、帶散熱孔，稀土永磁體嵌入內(nèi)槽中；電機(jī)軸承為深溝球軸承[2]；⑧電機(jī)的防護(hù)等級(jí)為IP44，能防止灰塵、水氣和腐蝕性氣體進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部；⑨電機(jī)為低速大扭矩，廣泛應(yīng)用在攪拌設(shè)備、傳輸設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備上，具有高效節(jié)能、無(wú)潤(rùn)滑油污染、噪聲很小、壽命長(zhǎng)、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 電機(jī)優(yōu)勢(shì)

永磁直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)是低速驅(qū)動(dòng)的變革與創(chuàng)新，融合變頻矢量控制技術(shù)、低速直驅(qū)大轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)等，去掉傳統(tǒng)的減速機(jī)等機(jī)械裝置，電機(jī)直接與負(fù)載相連，使傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，效率提高，噪聲降低，安裝方便，而且無(wú)需進(jìn)行日常維護(hù)檢修，從而節(jié)約大量的人力物力成本，減少生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境污染，節(jié)省電費(fèi)。主要由YTD 永磁直驅(qū)電機(jī)和矢量變頻器兩部分組成，主要優(yōu)勢(shì)為：①安裝可靠，去掉傳統(tǒng)的減速機(jī)故障點(diǎn)，提高系統(tǒng)可靠性；②啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)。永磁同步電動(dòng)機(jī)匹配矢量變頻器，能輸出額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩2 倍左右的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；③優(yōu)秀的調(diào)速性能。轉(zhuǎn)速任意可調(diào)，可緩慢加速，減小設(shè)備磨損以及沖擊負(fù)荷；④豐富的通信功能，支持CAN、RS485、PROFBUS-DP等多種通信接口，可保存運(yùn)行數(shù)據(jù)，并與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控；⑤環(huán)境友好，占地小、防腐好、噪聲低、免維護(hù)，省電費(fèi)，可靠性高[3]。

3 設(shè)備改造狀況

3.1 永磁直驅(qū)電機(jī)選型計(jì)算（圖1）

圖1 永磁直驅(qū)電機(jī)選型計(jì)算結(jié)果

根據(jù)電機(jī)扭矩≥負(fù)載扭矩的原則，并考慮安全富余量，保證攪拌器啟動(dòng)與穩(wěn)定運(yùn)行的要求，選擇額定扭矩為7037 N·m 的永磁直驅(qū)電機(jī)。

3.2 設(shè)備改造狀況

采用7037 N·m 的永磁直驅(qū)電機(jī)對(duì)原有減速機(jī)以及電機(jī)等設(shè)備進(jìn)行替換。將常永磁直驅(qū)電機(jī)安裝于減速機(jī)部位，通過(guò)小齒輪軸和聯(lián)軸器直接連接，有效驅(qū)動(dòng)球磨機(jī)運(yùn)行[4]。將配套變頻器安裝在原控制柜處，可以實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)軟啟動(dòng)目的，同時(shí)可以對(duì)球磨機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，保證慢轉(zhuǎn)檢修需求得到充分滿(mǎn)足。設(shè)備改造后的參數(shù)如下：峰值扭矩：14 074 N·m；額定扭矩：7037 N·m；額定功率因數(shù)：0.998；額定效率：96%；額定頻率：25.33 Hz；額定轉(zhuǎn)速：190 r/min；額定電流：222 A；額定電壓：380 V；額定功率：140 kW。

4 設(shè)備試運(yùn)行

4.1 電機(jī)出廠數(shù)據(jù)試驗(yàn)

環(huán)境溫度保持在24 ℃左右。

（1）電機(jī)絕緣試驗(yàn)以及直阻。①直流電阻。AC 相為0.007 16 Ω；BC 相為0.007 07 Ω；AB 相為0.007 2 Ω；②耐壓試驗(yàn)。將1760 V電壓施加到對(duì)地與相間，持續(xù)60 s，試驗(yàn)中如無(wú)破壞性放電發(fā)生，通過(guò)耐壓試驗(yàn)；③絕緣電阻。對(duì)地為500 MΩ；相間為500 MΩ。

（2）出廠試驗(yàn)。①空載試驗(yàn)?？蛰d電流為160 A；輸入電壓為380 V；空載條件下，輸出功率為80 kW。轉(zhuǎn)速為190 r/min；②負(fù)載模擬試驗(yàn)。額定轉(zhuǎn)矩為7037.2 N·m；失步/額定轉(zhuǎn)矩為2.5 N·m；啟動(dòng)/額定轉(zhuǎn)矩為2.2 N·m。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：根據(jù)GB/T 21418—2008、GB/T 22669—2008、GB/T 13958—2008 等規(guī)定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，所以可以判定產(chǎn)品合格。

4.2 電機(jī)工作試驗(yàn)與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

儀器設(shè)備：設(shè)備監(jiān)控儀表、溫度儀以及手持測(cè)振儀。

（1）電機(jī)空載工作數(shù)據(jù)分析（試驗(yàn)時(shí)間為2021 年12 月12日）見(jiàn)表1。

表1 電機(jī)空載工作數(shù)據(jù)

根據(jù)規(guī)定要求，電機(jī)空載工作4 h，其各處溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)參數(shù)、輸出電壓等均符合機(jī)電設(shè)備要求。

（2）基于負(fù)載條件下的電機(jī)工作數(shù)據(jù)分析（試驗(yàn)時(shí)間為2021年12 月12 日17：00—14 日17：00）見(jiàn)表2。

表2 負(fù)載條件下電機(jī)工作數(shù)據(jù)

根據(jù)規(guī)定要求，基于負(fù)載條件，電機(jī)工作3 d，輸出電壓、振動(dòng)參數(shù)、各處溫升以及轉(zhuǎn)速等參數(shù)均符合機(jī)電設(shè)備要求?；谪?fù)荷條件進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速為190 r/min，對(duì)球磨機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，結(jié)果為188 r/min，能夠保證日常生產(chǎn)需求得到充分滿(mǎn)足。節(jié)能效果根據(jù)該轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[5]。

5 性?xún)r(jià)比分析（表3）

表3 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和永磁電機(jī)系統(tǒng)的性?xún)r(jià)對(duì)比

根據(jù)基于額定負(fù)載的性能分析，采用YTD 永磁直驅(qū)電機(jī)比采用傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元每年可節(jié)約費(fèi)用約12.7 萬(wàn)元。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)際負(fù)載功率一般在額定功率的80%以下，低速永磁電機(jī)的高效區(qū)很寬，在80%負(fù)載時(shí)，和普通電機(jī)方案相比節(jié)能率超過(guò)16%。

6 結(jié)語(yǔ)

采用永磁同步電機(jī)對(duì)傳統(tǒng)異步電機(jī)進(jìn)行替換之后，可以充分促進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)效率，能夠減少設(shè)備維護(hù)以及工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)效益較為突出，采用YTD 永磁直驅(qū)電機(jī)比采用傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元每年可節(jié)約費(fèi)用約12.7 萬(wàn)元，可以進(jìn)行廣泛推廣。