永磁直驅系統在陶瓷球磨機上的應用

張贊新

（佛山市東鵬陶瓷發展有限公司，佛山 528031）

1 前言

隨著工業的發展，各行各業對陶瓷的需求量越來越大，據統計，截止2021年底，中國陶瓷企業約1500家，生產線約3500條。而陶瓷行業屬于耗能大戶，其中，陶瓷球磨機的耗能量在整個陶瓷生產線中的比重較大，我國目前對節能降耗有著嚴格的要求，因此對于陶瓷球磨機的節能改造變得尤為緊迫。

永磁直驅系統含永磁同步電動機，高性能矢量變頻器，其中，永磁同步電動機具有節能高效、低速大扭矩的特點，可直接驅動負載，同時高性能矢量變頻器可實現軟啟動，并根據粉磨時間的變化而改變旋轉速度，因此該系統可有效降低設備能耗，并且在操作和維護上更為簡單便捷，為企業創造了良好的效益，降低了企業成本。

2 陶瓷球磨機工作原理

陶瓷球磨機主要由筒體、軸承裝配、給料器、排料器、驅動系統組成。筒體與軸承裝配組合成一體，安裝于水泥基礎上，筒體上安裝皮帶，電機通過皮帶與筒體聯接。先將物料從給料器裝入筒體，啟動電機，筒體以工藝要求的轉速進行旋轉，將筒體內的物料進行粉磨，根據經驗到達粉磨時間后，磨機停止運行，檢測粉磨后的物料粒度，滿足要求后排出，完成整個粉磨過程[1]。

3 永磁直驅系統與傳統驅動系統的對比

3.1 結構對比

傳統驅動系統主要包括：軟啟動器、異步電動機、減速器、小皮帶輪、傳動皮帶、慢驅及抱閘，其傳動順序為異步電動機→減速器→小皮帶輪→傳動皮帶→球磨機筒體，見圖1，異步電動機通過軟啟動器啟動后，將動力通過兩級減速增矩的方式傳遞給球磨機筒體，使球磨機按照需要的速度運行。慢驅安裝于減速器另外一側，正常運行時脫開，在需要對正裝料口及排料口時使用，也用于設備的檢修維護。抱閘安裝在慢驅電機輸出軸上，主要作用是設備停機后使筒體不發生轉動，起到安全保護的作用。

圖1 傳統驅動系統

永磁直驅系統主要包括：軟啟動器（變頻器）、永磁同步電動機、小皮帶輪、傳動皮帶、機械止動裝置，其傳動順序為永磁同步電動機→小皮帶輪→傳動皮帶→球磨機筒體，見圖2，永磁同步電動機通過軟啟動器（變頻器）啟動后，將動力直接傳遞給小皮帶輪，皮帶輪通過皮帶使球磨機筒體發生轉動，減少了中間一道減速環節；而且電機可以調速控制，以極低的速度運行，實現慢驅的功能；永磁直驅系統具備零速懸停的功能，實現了定點停車，滿足裝卸料的要求，同時在電機尾端安裝有機械止動裝置，即使在突然斷電的情況下，也不會發生危險。

圖2 永磁直驅系統

3.2 驅動效率對比

表1 兩種驅動效率對比

根據以上分析，傳統驅動系統的效率約73%，而永磁直驅系統的效率高達93%，永磁直驅系統較傳統驅動效率提高約20%。效率提高原因主要為永磁電動機的效率較普通異步電機效率要高以及永磁直驅系統省去效率偏低的減速器。圖3為永磁電機與普通電機的效率比較，圖中可以看出，永磁電機較普通電機的額定效率要高，尤其在低負載區域，永磁電機比普通異步電機的效率要高得多，這是因為永磁電機的轉子上安裝有永磁體，不需通入電流即可產生磁場，運行過程中，轉子上無電流通過從而導致電動機銅損減小，而且由于永磁電機的高功率因數，使電運行電流低于普通異步電機，損耗進一步減小。在實際生產過程中，陶瓷球磨機屬于重載設備，由于設備啟動轉矩較大，所選電機額定功率遠大于實際需求功率，從圖3可以看出，永磁同步電機在較低負載時，仍然可以保持很高的效率[2]。

圖3 不同負載率下永磁電機與普通異步電機的效率比較

3.3 其他效益對比

陶瓷球磨機在生產過程中，現場環境非常惡劣，粉塵嚴重，而傳動系統完全暴露于粉塵環境中，減速器的潤滑系統難以保證，經常出現減速器齒輪、軸承以及減速器稀油站閥塊損壞的現象，嚴重影響設備的作業率，而且由于減速器的跑冒滴漏現象難以解決，現場環境進一步惡化，操作人員怨聲載道。永磁直驅系統將永磁電機與小皮帶輪直接連接，無需減速器與潤滑站，減少故障點，而且現場無潤滑油，徹底解決了環境污染問題。

4 陶瓷現場應用實例

廣東某一陶瓷生產廠家于2016開始改造一臺40t球磨機的傳動系統，改造完成后，設備運行穩定可靠，節能率非常明顯，約節能25%以上。

4.1 改造前設備情況

改造前主要設備參數見表2，設備現場見圖4.

表2 改造前設備參數

圖4 改造前現場設備照片

如圖4所示，該臺陶瓷球磨機傳動系統改造前由三相異步電動機驅動減速器，減速器與小皮帶輪連接，通過皮帶邊緣傳動，使磨機發生轉動。為了滿足減速器的潤滑冷卻要求，配置了減速器稀油站和控制柜。同時為了滿足對正進出料口和檢修需要，配置了慢驅電動機、慢驅減速器和抱閘系統。

由于傳動環節復雜，設備運行效率低，振動大，噪音高，減速器漏油污染嚴重，現場維護量大，工人勞動強度非常大。

4.2 改造后設備情況

改造后傳動系統參數見表3，設備現場見圖5。

表3 改造后驅動系統參數

圖5 改造后現場設備照片

如圖5所示，新系統采用低速永磁同步電機取代了原異步電機、減速器、減速器稀油站，將永磁電機與小皮帶輪直接連接，徹底解決了現場的環境污染問題。電機采用變頻啟動和控制。

4.3 數據對比

對于改造前的異步電機驅動系統，測量磨料時間約12.5h、檢測產品粒度合格。共測量3組數據用電量分別為1703kWh、1730kWh、1718kWh，平 均 每 球 用 電 量1717kWh。

對于改造后的系統，測量了不同轉速下的磨料情況及耗電量，統計見表4，

表4 改造后不同轉速的耗電量統計

表4中，當滾筒轉速在10.5-11.8r/min范圍內，磨料檢測均合格。無論是從總用電量方面，還是相同研磨時間內用永磁同步電機驅動用電量均小于異步機驅動，節能率明顯，具體分析詳見表5。

表4 不同保溫時間樣品的色度值

表5 改造前后用電量對比

通過上表，得到以下結論：

1）同步電機驅動滾筒轉速與異步電機驅動滾筒轉速大小一樣（11.5r/min）時，按照正常研磨時間（12.5h），同步電機耗電量比異步電機驅動耗電量節約440度，節能率可達到25.62%。

2）滾筒轉速為11.8r/min時（高于改造前轉速），按照正常研磨時間（12.5h），耗電量分別比異步電機驅動節約395度，節能率可達到23%。

3）滾筒轉速為10.8r/min、10.5r/min（低于改造前轉速），按照正常研磨時間（12.5h），磨料檢測研磨合格，耗電量分別比異步電機節約470、509度，節能率可分別達到27.37%、29.6%。節能率更加明顯。

4.4 經濟社會效益分析

驅動改造完后，通過一段時間的運行，綜合測算，該系統改造取得了良好的經濟效益。估算年節約費用約10.4萬元。

1）每球周期節約電耗488kWh，年運行350周期，年節約電量170800 kWh，平均電價0.56元/kWh，折合電費約9.6萬元；

2）采用直驅系統，省去減速器及配套稀油站，每年可節約備品備件以及油耗約0.8萬元；

3）由于永磁直驅系統的免維護特點，可以提高設備運行率，改善現場環境，降低崗位及維修人員的勞動強度，增加社會效益。

以上述160kW永磁電機為例，改造一套球磨機總投資大約30萬元，包括設備投資以及改造費用，大約3年即可回收。

5 存在的問題

由于目前永磁電機的價格較高，高出目前市場在用的傳統驅動2倍以上，對于客戶前期投資較大，因此推廣較慢，除此之外，永磁電機目前在陶瓷球磨機上的使用較少，其節能性也需要根據現場的實際情況進行測算，不能一概而論。

6 結論

根據理論計算及現場的實際應用，永磁直驅系統用在陶瓷球磨機上將大有益處，不僅節約了能耗，而且減少了現場的設備維護量，改善了現場環境，明顯降低企業的運行費用，具有良好的經濟和社會效益，值得同行企業大力推廣。