低速直驅永磁同步電機在球磨機上的應用

武麗琴，彭培禎

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

0 引言

球磨機是低速重載機械，起動力矩大，裝載量大，一般處于連續工作狀態，通常采用異步電機/減速機驅動模式。選擇永磁同步電機直接驅動會使得電機啟動轉矩、體積與功率等參數增加，要想該電機能夠在球磨機中得到良好運用，需要對其進行充分分析。

1 濕式格子型球磨機傳動驅動結構與問題分析

濕式格子型球磨機傳統驅動結構是三相異步電機加減速機，整體為臥式安裝，減速機兩側用聯軸器銜接電機與濕式格子型球磨機，原項目參數如下：

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

（2）減速機參數。型號：ZDHR600-3.93；速比：3.93。

（3）負載參數。傳動軸轉速：190 r/min。

該傳統驅動結構主要存在以下問題：

（1）由于減速機運行時發熱量大，輸出軸端的密封很容易老化損壞，存在漏油現象，增加維護成本。

（2）從驅動電機到負載軸要經過減速機，傳動環節多，能量損失大，系統整體效率低下、只有80%左右。

（3）驅動結構復雜，占地面積大；普通電機加減速機整體振動大，噪聲大[1]。

2 低速大扭矩永磁同步電機概述

2.1 電機特點

永磁直驅電機系統，低速大扭矩，結構緊湊、效率高，創新了驅動形式，在攪拌設備上去掉減速機結構，采用直驅電機和負載直接相連，結構簡單，運行可靠，優勢明顯，主要體現在以下9 個方面：①去掉減速機，減少后期維護量，降低運營成本；②專用變頻器能夠軟啟動，降低啟動電流，減少對電網沖擊，保護設備；③專用變頻器能夠無級調速，可以根據工況調節攪拌轉速，達到細化工藝的目的；④直驅電機運行效率高，可達到96%，節約能源；⑤直驅電機幾乎免維護，壽命長達20 年以上；⑥該電機為傳統結構，里面是轉子，外面由機殼、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，鐵芯內嵌有定子繞組，定子繞組端部被可靠地綁扎，能承受振動和沖擊應力；⑦轉子由冷軋硅鋼片沖制的沖片疊壓而成，開內槽、帶散熱孔，稀土永磁體嵌入內槽中；電機軸承為深溝球軸承[2]；⑧電機的防護等級為IP44，能防止灰塵、水氣和腐蝕性氣體進入電機內部；⑨電機為低速大扭矩，廣泛應用在攪拌設備、傳輸設備、執行機構等設備上，具有高效節能、無潤滑油污染、噪聲很小、壽命長、免維護等優點。

2.2 電機優勢

永磁直驅電機系統是低速驅動的變革與創新，融合變頻矢量控制技術、低速直驅大轉矩永磁電機技術、智能控制技術等，去掉傳統的減速機等機械裝置，電機直接與負載相連，使傳動系統結構簡化，效率提高，噪聲降低，安裝方便，而且無需進行日常維護檢修，從而節約大量的人力物力成本，減少生產過程中的環境污染，節省電費。主要由YTD 永磁直驅電機和矢量變頻器兩部分組成，主要優勢為：①安裝可靠，去掉傳統的減速機故障點，提高系統可靠性；②啟動轉矩大，過載能力強。永磁同步電動機匹配矢量變頻器，能輸出額定負載轉矩2 倍左右的起動轉矩；③優秀的調速性能。轉速任意可調，可緩慢加速，減小設備磨損以及沖擊負荷；④豐富的通信功能，支持CAN、RS485、PROFBUS-DP等多種通信接口，可保存運行數據，并與上位機通信，實現在線監測監控；⑤環境友好，占地小、防腐好、噪聲低、免維護，省電費，可靠性高[3]。

3 設備改造狀況

3.1 永磁直驅電機選型計算（圖1）

圖1 永磁直驅電機選型計算結果

根據電機扭矩≥負載扭矩的原則，并考慮安全富余量，保證攪拌器啟動與穩定運行的要求，選擇額定扭矩為7037 N·m 的永磁直驅電機。

3.2 設備改造狀況

采用7037 N·m 的永磁直驅電機對原有減速機以及電機等設備進行替換。將常永磁直驅電機安裝于減速機部位，通過小齒輪軸和聯軸器直接連接，有效驅動球磨機運行[4]。將配套變頻器安裝在原控制柜處，可以實現球磨機軟啟動目的，同時可以對球磨機轉速隨時進行調整，保證慢轉檢修需求得到充分滿足。設備改造后的參數如下：峰值扭矩：14 074 N·m；額定扭矩：7037 N·m；額定功率因數：0.998；額定效率：96%；額定頻率：25.33 Hz；額定轉速：190 r/min；額定電流：222 A；額定電壓：380 V；額定功率：140 kW。

4 設備試運行

4.1 電機出廠數據試驗

環境溫度保持在24 ℃左右。

（1）電機絕緣試驗以及直阻。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。將1760 V電壓施加到對地與相間，持續60 s，試驗中如無破壞性放電發生，通過耐壓試驗；③絕緣電阻。對地為500 MΩ；相間為500 MΩ。

（2）出廠試驗。①空載試驗。空載電流為160 A；輸入電壓為380 V；空載條件下，輸出功率為80 kW。轉速為190 r/min；②負載模擬試驗。額定轉矩為7037.2 N·m；失步/額定轉矩為2.5 N·m；啟動/額定轉矩為2.2 N·m。

實驗結果：根據GB/T 21418—2008、GB/T 22669—2008、GB/T 13958—2008 等規定，實驗數據均符合標準要求，所以可以判定產品合格。

4.2 電機工作試驗與數據統計

儀器設備：設備監控儀表、溫度儀以及手持測振儀。

（1）電機空載工作數據分析（試驗時間為2021 年12 月12日）見表1。

表1 電機空載工作數據

根據規定要求，電機空載工作4 h，其各處溫度、轉速、振動參數、輸出電壓等均符合機電設備要求。

（2）基于負載條件下的電機工作數據分析（試驗時間為2021年12 月12 日17：00—14 日17：00）見表2。

表2 負載條件下電機工作數據

根據規定要求，基于負載條件，電機工作3 d，輸出電壓、振動參數、各處溫升以及轉速等參數均符合機電設備要求。基于負荷條件進行生產活動時，轉速為190 r/min，對球磨機轉速進行現場實測，結果為188 r/min，能夠保證日常生產需求得到充分滿足。節能效果根據該轉速數據進行分析[5]。

5 性價比分析（表3）

表3 傳統驅動系統和永磁電機系統的性價對比

根據基于額定負載的性能分析，采用YTD 永磁直驅電機比采用傳統驅動單元每年可節約費用約12.7 萬元。實際運行過程中，實際負載功率一般在額定功率的80%以下，低速永磁電機的高效區很寬，在80%負載時，和普通電機方案相比節能率超過16%。

6 結語

采用永磁同步電機對傳統異步電機進行替換之后，可以充分促進設備生產效率，能夠減少設備維護以及工作人員勞動強度，經濟效益較為突出，采用YTD 永磁直驅電機比采用傳統驅動單元每年可節約費用約12.7 萬元，可以進行廣泛推廣。