高壓風冷集成型永磁電機系統(tǒng)的分析應用與研究

張守波，牟宗濤

（日照港股份有限公司第一港務分公司，山東 日照 276826）

港口碼頭皮帶運輸機多運行在重載、潮濕、多粉塵、鹽霧腐蝕等極端環(huán)境下，常采用“高速異步電機”和“三級減速機”相結合的傳動驅(qū)動式，一般存在體積大、質(zhì)量重的問題。而且，為了實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，整個傳動系統(tǒng)經(jīng)常運行在低效工作區(qū)間，能耗高、啟動電流大，存在嚴重的電能浪費。隨著電力電子與現(xiàn)代電氣傳動控制技術的發(fā)展，經(jīng)過幾代升級，能夠滿足低轉(zhuǎn)速、大扭矩生產(chǎn)設備的運行要求，但仍面臨能耗高、效率低等問題。此外，多級減速機故障率高、維護量大，需經(jīng)常檢查更換潤滑油，性價比低。因此，本文通過對比分析、節(jié)能理論計算和應用，為選定適合輸送機專用的風冷高壓集成型永磁電機系列產(chǎn)品提供理論依據(jù)。

1 皮帶機用永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)

目前，皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)采用的永磁電機產(chǎn)品，大多會從高速永磁電機聯(lián)結減速器系統(tǒng)、永磁直驅(qū)電機驅(qū)動系統(tǒng)思路進行選型和應用，但是往往忽略了皮帶輸送機設備的特性—低速大扭矩，要求重載啟動能力強、體積重量要求嚴格。

針對上述輸送機的低速大扭矩應用需求，超低速永磁電機直接耦合輸送機，實現(xiàn)直驅(qū)傳動。相對常規(guī)驅(qū)動方式，雖然永磁直驅(qū)電機自身效率高、無中間傳動環(huán)節(jié)、可靠性高等優(yōu)勢，但是在低轉(zhuǎn)速領域，往往為了達到額定功率和扭矩，降頻降功率使用，犧牲了永磁電機重載啟動性能和永磁材料的浪費。

高速永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)也是替代異步電機驅(qū)動系統(tǒng)的方案之一，雖然高速永磁電機額定效率和功率因數(shù)等性能參數(shù)比異步電機高，但是該系統(tǒng)仍然存在異步電機系統(tǒng)、傳動鏈長、故障點多、維護工作量大的弊病。

集成型永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)規(guī)避了原“高速異步電機+三級減速器”驅(qū)動系統(tǒng)（1480r/min）高速輸入帶來的振動大、噪音大、磨損快、故障率高等一系列弊端，采用“低速變更低速”系統(tǒng)。永磁電機以300 ～360r/min低速輸出，再配合小速比一級行星減速機低速大扭矩輸出，從而帶來系統(tǒng)的傳動鏈短、低振動、低噪音、低磨損、能效高、低發(fā)熱、壽命長等一系列優(yōu)勢。

驅(qū)動電機方面，永磁電機輸出轉(zhuǎn)速為300 ～360r/min，通過一級扭矩放大器，組成了永磁電機＋扭矩放大器這種低速變超低速的傳動方式，從而實現(xiàn)目標轉(zhuǎn)速，且直接減小運轉(zhuǎn)時對傳動機械結構的慣性沖擊；扭矩放放大器方面，行星減速器的選材、設計、計算、加工裝配精度和過載能力水平遠高于同類產(chǎn)品。同時，因為行星減速器輸入轉(zhuǎn)速僅為400r/min以下，其使用壽命得到延長。永磁電機運行壽命大大提高。其特點是能效高（節(jié)電率15%以上），過載能力強，動態(tài)響應及時、負載匹配性好低振動，低噪聲、低溫升，可靠性高，易于智能化控制。永磁電機總成從設計之初充分考慮主要材料選擇、制造工藝、故障檢測和保護措施、試驗標準等因素，解決永磁體退磁、過載轉(zhuǎn)矩不足、電機啟動抖動、絕緣失效等問題。

2 BC5-1 皮帶機用高壓風冷永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)

針對現(xiàn)場工況，結合低速永磁電機、行星減速機器、以及變頻控制的各自優(yōu)勢，開發(fā)全新的永磁電動機智能驅(qū)動系統(tǒng)。采用低速驅(qū)低速的驅(qū)動方式。將原異步電機1487rpm 輸入，變成永磁電機200 ～300rpm 輸入，原多級減速變成一級行星減速輸出，滿足輸出0 ～76.4rpm轉(zhuǎn)速要求。

3 可行性分析

3.1 低速大扭矩永磁電機（驅(qū)動單元）

驅(qū)動電機方面，永磁電機輸出轉(zhuǎn)速為300 ～360r/min,通過一級扭矩放大器（行星減速機），組成了永磁電機＋扭矩放大器這種低速變超低速的傳動方式，從而實現(xiàn)目標轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速的降低直接減小了運轉(zhuǎn)時對傳動機械結構的慣性沖擊，永磁電機運行壽命大大提高。

永磁電機總成從設計之初充分考慮主要材料選擇、制造工藝、故障檢測和保護措施、試驗標準等因素，解決永磁體退磁、過載轉(zhuǎn)矩不足、電機啟動抖動、絕緣失效等問題，目前運行的600 臺永磁電機沒有一臺因為質(zhì)量問題返廠維修。

3.2 行星減速機（耦合傳動單元）

（1）系統(tǒng)配套的減速機。是日照東方電機有限公司與南京高精齒輪箱有限公司、山西維達傳動科技有限公司等聯(lián)合研發(fā)生產(chǎn)的一級行星減速器，是根據(jù)負載特點和永磁電機特性專門設計的。永磁電機用一級行星減速器替代原有的多極減速機，傳動鏈縮短，故障率降低，同時過載倍數(shù)在1.8 倍以上，峰值扭矩可達額定扭矩的2.0 倍以上。

（2）工藝及材料。在齒輪方面外齒輪均選用優(yōu)質(zhì)齒輪專用低碳鋼，采用滲碳淬火工藝，內(nèi)齒輪選用優(yōu)質(zhì)齒輪專用中碳鋼采用滲氮工藝，在得到高的齒面硬度、高的耐磨性能的同時能夠達到很好的芯部韌性，而且內(nèi)外齒輪全部采用德國進口磨齒機進行精加工，并進行齒輪檢查儀檢測，以保證齒輪的精度。結構件均采用先進的數(shù)控加工中心加工，同時進行三坐標檢測以確保零部件的精度。同時行星部分采用SKF、FAG 進口軸承，以及進口密封件，并在密封處采用特殊工藝耐磨套，以保證軸承以及密封的可靠性。

（3）優(yōu)勢如圖1 所示。

圖1

（4）熱平衡設計。在減速機熱功率方面進行了專門設計和熱場有限元分析，一般設備熱平衡溫度會控制在75℃以內(nèi)，對熱功率不足的會通過增加散熱筋板、水冷盤管、冷卻泵站等方式保證設備熱功率不超標。

（5）潤滑。由于減速機輸入轉(zhuǎn)速大幅度降低，潤滑油發(fā)生質(zhì)變的概率大幅度減少，潤滑油的運動黏度、酸堿值、顆粒物含量等主要指標，可長期保持優(yōu)良和穩(wěn)定，換油周期也大大延長。

（6）使用效果。行星減速器的選材、設計、計算、加工裝配精度和過載能力水平遠高于同類產(chǎn)品。同時，因為行星減速器輸入轉(zhuǎn)速僅為400r/min 以下，其使用壽命得到延長。目前行星減速器已在煤礦、港口、水泥行業(yè)皮帶機、提升機、拉鏈機上應用超過500 臺套，單套安全運行時長已經(jīng)超過36000h，沒有一臺行星減速器發(fā)生斷齒、斷軸、軸承失效等現(xiàn)象，日常僅進行常規(guī)油品更換。

（7）備機方面。供應商長期庫存各種行星減速器，質(zhì)保期內(nèi)可為業(yè)主提供無償產(chǎn)品服務，終生提供技術支持。

3.3 變頻器（控制單元）

變頻控制系統(tǒng)方面，采用永磁專用無感矢量控制變頻器，是我公司與匯川技術聯(lián)合研發(fā)永磁電機專用控制單元。具有重載軟起、軟停、急停、自由停車、多機聯(lián)動和功率平衡的功能，對電網(wǎng)的諧波污染小，過流、過壓、過載等保護功能齊全，滿足對地耐壓（2Un+2000）V 的要求。具有在2 ～2.5r/min 超低速下，檢測（維護）的能力。專用變頻控制系統(tǒng)，具有完善的智能檢測和保護系統(tǒng)，可實現(xiàn)全天候?qū)ψ陨砑膀?qū)動設備的預警和保護，并長期保存詳細的報警及故障信息。

變頻器針對皮帶機現(xiàn)場工藝專門設計，硬件防護定制；軟件具有悶車啟動、控制方式切換、過載能力大等優(yōu)勢。所以，從材料、設計、工藝、試驗和控制等方面集成型永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)安全可靠、技術成熟、高效能、高品質(zhì)、高性價比，應用價值極高。

4 高壓風冷集成型永磁電機智能驅(qū)動系統(tǒng)節(jié)能分析

（1）每年工作300 天，每天工作10 小時，一年工作總計3000h。

（2）其中180%負載運行時間，約300×0.05=15 天；150% 負載運行時間，約300×0.25=75 天，滿載（100% 負載率）天數(shù)約300x0.5=150 天；80% 負載運行時間，約300×0.15=45 天；35%負載運行時間，約300×0.05=15 天。

（3）180% 額 定 轉(zhuǎn) 矩 工 況，（975.6kW-798.8kW）×15 天×10 小時=26520kW·h；150%額定轉(zhuǎn)矩工況，（766.2kW-615.6kW）×75 天×10 小 時=112950kW·h；100%額定轉(zhuǎn)矩工況，（477.8kW-397.1kW）×150 天×10小時=121050kW·h；80% 額定轉(zhuǎn)矩工況，（399.4kW-317.7kW）×45 天×10 小時=36765kW·h；35%額定轉(zhuǎn)矩工況，（180.9kW-143.7kW）×15 天×10 小時=5580kW·h；每年每臺節(jié)電L2為302865kW·h。根據(jù)2021 年1 月執(zhí)行的山東省電網(wǎng)銷售電價，在35 ～110kV 電壓等級電價分為尖峰電價(0.9779 元/kW·h）、高峰電價(0.8663元/kW·h）、平段電價(0.5872 元/kW·h）和低谷電價（0.3082 元/kW·h），折算后按平均每度電費0.9元計算，每年每臺預計可節(jié)約27.3 萬元。

（4）節(jié)電率理論計算（BC5-1 皮帶機用異步電機驅(qū)動系統(tǒng)每年耗電計算）：L1=975.6kW×150h+766.2kW×750h+477.8kW×1500h+399.4kW×450h+180.9kW× 150h=1644555kW·h。

采用永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)替代直流電機驅(qū)動系統(tǒng)，預期節(jié)電率L=L2/L1=18.4%，滿足客戶節(jié)能改造要求。

（5）單臺運行維護費用對比（預期值）見表1。

表1

（6）每年綜合節(jié)約成本計算。單套355kW 永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)與單套355kW 異步電機驅(qū)動系統(tǒng)相比，預期單套355kW 永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)綜合節(jié)約成本費用為：每年節(jié)約電費+每年節(jié)約運行維護費用=27.3 萬元+3.8萬元=31.1 萬元。

預計運行2 ～3 年可收回驅(qū)動系統(tǒng)成本。

5 結語

（1） 完成BC5-1 皮帶機用集成型永磁電機（355kW,10000V,76.4r/min）實際應用，并達到預期開發(fā)目標：同比永磁直驅(qū)電機重量減少1/3 ～1/2,機座號小1 ～2 個機座座號；噪聲值不超過80dB(A)；實現(xiàn)遠程控制和監(jiān)測。

（2）開發(fā)生產(chǎn)的355kW 高壓集成型永磁電機系統(tǒng)，可實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩啟動，重載軟起，重載緩停。啟動時，可提供1.5 倍額定轉(zhuǎn)矩，運行電流隨負載逐步增加，消除大電流對電機的沖擊；同時，采用專用變頻器控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)低速大扭矩（軟起）啟動，消除啟動和停止時對集成型永磁電機的沖擊，延長輸送機設備驅(qū)動系統(tǒng)平穩(wěn)運行時間，實現(xiàn)單臺套集成永磁電機系統(tǒng)年平均節(jié)電率超過15%，維護費用減少30%以上。

（3）集成型永磁電機系統(tǒng)的開發(fā)應用，可實現(xiàn)生產(chǎn)線從輸送、提升、分離等全過程的智能化控制和作業(yè)，具備高效節(jié)能、重載啟動能力強、安全可靠、振動噪聲小等特點，真正達到節(jié)能降耗降噪、綠色環(huán)保、智能管控的最佳效果，在國內(nèi)技術水平處于領先。

（4）皮帶機用集成型永磁電機系統(tǒng)具有技術成熟、安全可靠、高效節(jié)能、高性價比等特點，適于工業(yè)設備新建設和改造項目。其產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和技術水平均取得了滿意結果。