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1、球磨机改造用高效节能永磁电机球磨机改造用高效节能永磁电机研究报告研究报告报报告告单单位：沈阳工位：沈阳工业业大学、大学、电电机及其控制技机及其控制技术术研究所研究所大大连钰连钰霖霖电电机有限机有限责责任公司任公司报报告告时间时间： ：2009 年年 6 月月 30 日日目目 录录1 项目背景 .22 低速大转矩永磁电机的节能原理 .43 改造方案 .73.1 系统改造思路示意.73.2 优势分析.104 球磨机用永磁电机节能分析 .115 总结 .12附件 1 我国高效永磁同步电机应用现状 .131 项目背景项目背景国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020）中， “三、重点领域及其优
2、先主题：5.制造业：（26）基础件和通用部件；和 1.能源：（1）工业节能”两个主题提出。电机及其控制系统是各种机械装备中最关键的部件，对机械装备的效率、性能、成本、可靠性以及寿命等都有着举足轻重的作用。世界经济发展步伐的加快，增加了人们对能源的需求，能源问题已经成为影响各国经济发展速度的战略性问题。本着我国“开发与节约并举、节约优先”的节能方针，我们要充分认识到加强节能工作的重要性和紧迫性。图1 选矿厂球磨机现场工作照片电能是最主要的二次能源，也是最重要的节能对象。据统计， “2003 年我国各类电动机总装机容量约为 4.2 亿千瓦，其中异步电动机的装机容量超过全国电动机总装机容量的 85%
3、，年耗电亿万千瓦时以上，约占全国用电量的 60%，运行效率比国外先进水平低 10-20 个百分点，相当于每年浪费电能约 1500 亿千瓦时。2003 年我国电动机年产量约为 4500 万千瓦，平均效率比发达国家低 2-3 个百分点。电动机拖动系统效率比发达国家低 10-30 个百分点，相当于国际 20 世纪七、八十年代的水平。 ”从上述数据可以看出：一方面，我国目前电能浪费问题仍然严重，很大程度上归因于占主体地位的工业用自电动机的综合运行性能较差，电机效率不高；另一方面，也表明我国的电机发展仍有很大的潜力空间。因此，节能既是电机行业面临的严峻课题，也是电机行业发展的新机遇。球磨机是选矿厂、加气
4、混凝土原料制备中最重要的设备，他用于铁矿石、石灰、石膏、砂、矿渣等物料的粉磨。物料只有经过粉磨并到要求细度后才能进行充分混合相互作用，才能使制品达到强度，粉磨是加气混凝土生产中的重要程序，粉磨过程耗电量大，球磨机一般是球磨机一般是选矿选矿厂或加气混凝土工厂中厂或加气混凝土工厂中电电机容量最大的机容量最大的设设备备。球磨机由给料部、出料部、回转部、传动部（减速机，小传动齿轮，电机，电控）等主要部分组成（如图1所示）。其中传动传动部是部是电电能能损损耗的主要的耗的主要的环节环节，也是，也是节节能能增效的关增效的关键环节键环节。低速大转矩传动系统一般是指转速低于 500 r/min，额定输出转矩大于
5、500N.m 的传动系统。这样的传动系统在许多工业传动领域中是常见的，球磨机球磨机传动传动系系统统，是典型的低速大，是典型的低速大转转矩系矩系统统。除球磨机系统外，还包括电梯驱动系统、重型机床、矿山机械、石油机械以及建筑机械等。在这些要求低速传动的系统中，目前主要采用传统的异步机减速机的驱动模式。这种驱动模式的缺点主要体现在：一方面，由于减速机齿轮等机械原因降低了系统的整体传动效率；另一方面，由于减速机的存在使传动系统的整体体积较大，或者说系统的传输功率密度较低。显然，传统的驱动模式己无法适应现代驱动的要求，存在着诸多理论和技术问题有待解决。众所周知，永磁电动机采用永磁体励磁，不需要无功励磁电
6、流，可以显著提高功率因数，减小了定子电流和定子电阻损耗；而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇（小容量电机甚至可以去掉风扇）和相应的风摩耗，从而使其效率和功率因数比同规格感应电动机高。而且在轻载时仍可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。因此，永磁电动机较容易做到高效率，即达到IE2级的效率值。如果进一步优化设计，采用高性能硅钢片和先进工艺，在降低一个机座号或者缩短铁心的情况下，可以达到超高效，即IE3级的效率值；在不降低机座号或适当增加铁心的情况下，部分规格有可能达到超超高效，即IE4级的效率值。同时，永磁永磁电电机可以机可以实现实现低速大低速大转
7、转矩直矩直驱驱运运行，行，这这是异步机和直流机无法是异步机和直流机无法实现实现， ，这这种特性使得永磁种特性使得永磁电电机在低速大机在低速大转转矩的矩的传动传动系系统应统应用前景非常广泛。用前景非常广泛。2 低速大转矩永磁电机的低速大转矩永磁电机的节能原理节能原理永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数，减少了定子电流和定子损耗，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减少风扇和相应的风摩损耗，从而使其效率比同规格感应电动机可提高 1015 个百分点。而且，永磁同步电动机在 25120额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效
8、果更为显著。图 2 泥浆泵用 600KW 低速大转矩永磁同步电动机低速大转矩永磁电机，实现低速直驱并高效率运行需解决如下关键技术。电机在低速运行时，其气隙磁场的低次空间谐波和电枢绕组的低次电流时间谐波相互作用，会使电机的转矩产生脉振，这种低频脉振要在较长的变加速起停过渡过程中实现平稳传动，显然是难以胜任的；同时，因为取消了机械减速机，会使机械系统的任何扰动都直接作用在电机的轴上，同样会给系统的动态稳定性增加控制难度；由于，当代国际先进的电力电子变频调速技术，均采用正弦波脉宽调制（SPWM）式的输出电压波形，这种波形的输出几乎是一个理想的正弦波，这就要求电机电枢绕组的内电势波应与之适应，才能使电
9、枢电流也为正弦波，消除由于电枢电流谐波引起的转矩脉振问题。从电磁感应定律可知，要使电机内电势波形正弦，其实就是如何使产Blve 生内内电势电势的磁的磁场场波形正弦化波形正弦化的问题。从电机的基本理论可知，影响磁场波形的因素除电机设计的共同问题外，对于永磁同步电动机（PMSM）可主要可归纳为转子永磁体结构形式的选取；主磁极极弧系数的选择；电枢绕组的排布方式和定子齿谐波影响的消除等四个方面。【 【1】 】转转子永磁体子永磁体结结构形式的构形式的选选取取从 SPWM 电源与 PMSM 匹配运行所组成的低速大扭矩驱动系统最优化观点出发，为保证驱动系统有足够的线性调节范围，SPWM 变频器额定输出频率应
10、尽可能高（一般取 25Hz 以上）；为降低变频器的成本和损耗，要求变频器的额定输出电流要尽可能小。因此，电机在设计上要采用图 3 的切向磁极结构，每极激励面积是相邻两个永磁体槽深方向面积之和。可以克服径向结构在多极时的每极激励面积不足的缺点，方便地根据需要通过调整永磁体槽深来选择激励面积的大小。图 3 PMSM 转子切向结构磁极的基本形式【 【2】 】主磁极极弧系数的主磁极极弧系数的选择选择在同步电机的设计中，极弧系数的选取对电机电枢绕组内电势波形以及电机出力大小有着重要的影响。在低速大扭矩驱动系统中，采用 PMSM 的优点之一是可以通过选择适当的极弧系数来消除某次谐波对电枢绕组内电势波形的影
11、响。若通过适当地调整漏磁的大小和选择合适的极弧系数，使气隙磁密的波形呈准梯形波分布。 【 【3】 】电电枢枢绕组绕组的排布方式的排布方式在一般的交流电机设计中，可以通过电机定子绕组的分布和短距来消除谐波。但在采用了多极的低速中小型电机中，已经不可能有足够的电枢绕组槽，来供分布使用。采用整距集中绕组显然对电枢绕组内电势波形正弦化不利。因此，采用分数槽绕组几乎是惟一的选择。根据电机设计基本理论，分数槽绕组不但可以有效地消弱电枢绕组内电势中的高次谐波，而且对于低次的齿谐波同样有消除作用。 。从提高绕组利用系数和消除主要低次谐波的观点出发，分数槽绕组的实际线圈跨距应该采用（1）式取整短距的方法确定。（
12、1）pQy21式中：Q电枢绕组的槽数；P电机极对数。【 【4】 】齿谐齿谐波影响的消除波影响的消除在低速大扭矩驱动系统中，气隙齿谐波磁场对低频转矩脉动的影响显得尤为突出，必须尽量消除。在异步电动机中，通常采用转子斜槽的方法来消除齿谐波的影响。因此，只有采用定子斜槽的工艺。理论分析表明，斜一个定子槽就可以消除齿谐波。但考虑到 PMSM 的极弧系数一般较异步电动机的小，磁极的边缘效应也要比异步电动机的强，所以理想的斜槽数应该是（2）(1)q式中：定子槽两端沿气隙圆周扭转的弧长； 定子槽沿气隙圆周的槽距弧长； q电枢绕组每极每相槽数。3 改造方案改造方案3.1 系统改造思路示意系统改造思路示意本次改
13、造主要采用永磁电机直接驱动球磨机的小齿轮工作，这样可大大提高工作效率和运行成本，永磁电机可实现真正意义上的免维护。由于，永磁电机起动后采用工频电源供电即可实现稳定运行，所以为了降低改造成本，本次改造建议采用一台变频器拖动多台（据实际情况确定数量）电机起动。电机起动后将电机的端子引到电网上，在电网供电情况下，电机也可高效运行，详见图 6。【1】 改造前球磨机系统示意图改造前球磨机系统示意图选矿厂现有球磨机系统采用异步电机减速机小齿轮大齿轮的模式驱动回转部（如图 4 所示），由于异步机和减速机的效率非常低（分别为 86%和 88%左右，这个环节的效率为 75%左右），并且存在着维护频繁、漏油等系列
14、问题，严重影响选矿厂的生产成本与效益。图 4 现选矿厂球磨机系统示意图【2】 改造后球磨机系统示意图改造后球磨机系统示意图如图 5 所示，为了提高传动环节的效率，本次改造方案，预采用低速大转矩永磁同步电动机（效率 90%，较前者提高 15%）直接驱动小齿轮，带动大齿轮转动。为了不影响生产周期，本次改造方案采用即换即用的原则，保证选矿厂的生产效益不受影响，图 6 为低速大转矩永磁电机示意图。图 5 新型永磁同步电动机球磨机系统示意图图 6 低速大转矩永磁电机示意图【3】 供电系统示意图供电系统示意图图 7 控制系统采用一拖多的方式工作如图 7 所示，改造后供电系统采用一拖多的方式，即可根据场区情况，可由一台或两台变频器或驱动多台电机起动。3.2 优势分析优势分析表 1 新型永磁电机球磨机与常规球磨机主要性能比较。【 【1】 】异步异步电电机机-减速机的主要缺点表减速机的主要缺点表现现在：在：系统整体传动效率低。系统的功率因数差。整机占地面积大。名称永磁电机球磨机异步机-减速机球磨机电机功率（KW）300370减速器无有 起动器变频器
