1、技術背景
傳統的球磨(mó)機、立磨機大(dà)都采用(yòng)三(sān)相異步電動機、聯軸器、減速裝置以及齒輪結構進行驅動,導致球磨機的傳(chuán)動係統存在(zài)機械傳動鏈(liàn)冗長、效率低、機構複雜、運行維護工作量大等問題。
沈陽工(gōng)業大(dà)學電機(jī)與控製技術研究所(suǒ)與河南全新機電設備有限公司聯合設計(jì)研發的球磨(mó)機、立磨機采(cǎi)用永磁直驅電機(jī),通過將電動機與(yǔ)機械結構進行機電一(yī)體化設計,取消動力傳輸的中間環節,做成直驅方案,能直接滿(mǎn)足荷(hé)載的需求,省去傳(chuán)統磨機的減速機,顯著提高(gāo)了電機的效率與功率因數,具有節能、起動轉矩大、過載能力強、係統免維護、自動化程度高等優點。
在控製方麵,本產品電機定子采用了模塊化設計,不僅降低了加工、製造、運輸等難度,還相當於(yú)把一個大功率電機做成了多個小功率電機(jī)。模塊化電機的控製技術可以實現降低大(dà)功(gōng)率電機的輸入電(diàn)壓,但是不增加電機的輸入電流,電(diàn)機不必采(cǎi)用高等級絕緣。模塊化電機采用多台小功率變頻器聯合供電,這樣設計降低了(le)電(diàn)機的供電電壓和使用的變(biàn)頻器容量,從而降低成本。每個模塊電機都具有一套獨立的控製係統(tǒng),大大提升了電機控製的自由度,球(qiú)磨機運(yùn)行在輕載工況時,完全可以隻運行部分模塊(kuài)電機(jī)驅動球磨(mó)機。

在結構方麵,本產品電機(jī)的定子采用了一種自主設計研發的隨動式結構,將整圓的定子分成若幹(gàn)個相互存在間隙的小扇形塊,通過機械結構(gòu)設計,確定了一種無論球磨(mó)機轉筒是否震動或偏心,定子塊始終跟隨轉筒運動從(cóng)而保(bǎo)持(chí)定子與轉(zhuǎn)子間隙(xì)恒(héng)定的結構。本產品通過機械結構(gòu)設(shè)計保證(zhèng)定子與轉(zhuǎn)子間(jiān)的(de)間(jiān)隙(xì)恒定,電(diàn)機不會發生掃膛現象,因(yīn)此電機的氣隙可以設計的(de)比普通永磁直驅(qū)電機的小很多,從而大幅降低電機永磁體用量,降低生產成本,節(jiē)約稀(xī)土資源,節能用電量。當模(mó)塊發生故障時,直接拆卸故障電機,更換新的模塊電機即可正(zhèng)常運行。使用本產品完全不會因電機發生故障而影響到生產工期。
2、球磨(mó)機專用隨動式永磁直驅電(diàn)機概述
本產品的隨動式定子結構構成一種“小車結(jié)構”,滾筒就像公路,定子塊就像汽(qì)車。滾輪貼合滾筒旋轉相當於汽車在(zài)公路行駛,公路(lù)的起伏(fú)不影響車輪與地麵貼合,即滾筒偏心(xīn)浮(fú)動不影響滾輪貼合滾筒,保證定子、轉子間隙恒定,在球磨(mó)機因裝(zhuāng)配誤差(chà)、軸承磨(mó)損、滾筒形變、重載震動等原因造成電機偏心、氣(qì)隙不均勻時,仍能正常運轉,保證磨機始終運行在性能狀態,不必停機檢修。同時電機定子(zǐ)與轉子間的間隙也可以做的更(gèng)小,減少永磁體用量,並且因為隨動式結構,電(diàn)機不會發生掃膛現象。

本產(chǎn)品電機的定子為隨動式結構,基(jī)於模塊化永磁直驅電機,采(cǎi)用獨立的(de)扇形定子塊(kuài)結構(gòu),其隨動原理是在定子塊的軸向(xiàng)兩(liǎng)側安裝滾輪且(qiě)滾輪貼合滾(gǔn)筒來確定定子與轉子間的間隙,定子塊徑向外(wài)側設有與支撐框架相連的彈性機構。彈性機構在球(qiú)磨機(jī)滾筒不偏心時處於(yú)半壓縮狀態,如果球(qiú)磨機滾(gǔn)筒向上波動,轉筒會向上頂定子塊上(shàng)安裝的滾輪,進而帶動定子塊向上移動,上方彈(dàn)性機構繼續(xù)壓縮;下方定子塊在受到永(yǒng)磁體對其向上的吸引力的同時,定子塊上的彈性機構將其向(xiàng)上頂,保證下方定子塊的滾輪依然貼合轉筒外(wài)表麵,使定子塊跟隨轉筒波動而進行徑向與圓(yuán)周方(fāng)向的移動,從而保(bǎo)證定子、轉(zhuǎn)子之(zhī)間的(de)間隙不變。球磨機滾筒向下複位或繼續(xù)向下波動,則上方定子塊在受到永磁體對其向下的吸引力的同時,彈性機構將上方(fāng)其向下壓,下方定子(zǐ)塊被轉筒(tǒng)向下壓。

本產品彈性裝置的壓(yā)力大小可調,對於不同位置的定子塊設(shè)置(zhì)不同的壓力,避免因彈(dàn)性裝(zhuāng)置設(shè)置(zhì)的壓力過大造成滾(gǔn)輪或(huò)轉筒磨損較快(kuài)。
本(běn)產品將永磁電機采用模塊(kuài)化(huà)控製,根據不同功率(lǜ)的電機設計采用不同個數(shù)的隨動式定子塊構成一台模塊電機,一台(tái)整圓電機(jī)由多台模塊電機構成,多台模塊電機共用同一個轉子,模塊電機包繞式安裝在球磨機滾(gǔn)筒上。相鄰隨動式定子塊間設有固定在支撐框架上的擋板來對定子塊進行(háng)圓周方(fāng)向(xiàng)的限位。球磨機滾筒的法蘭處銜接T型支撐板,用於支撐安裝電機轉子鐵心及磁鋼。
本產品的隨動式定子塊安裝拆卸十分便捷,隻需要沿(yán)球磨機的徑向依次拆卸(xiè)密封外(wài)殼、彈性(xìng)機(jī)構、彈性機構(gòu)與定子塊之間的連接杆、彈性(xìng)機構支撐架,即可將定子塊沿徑向拉出,進行檢修或更換(huàn)新的定子塊。

3、采用本產品代替傳統磨機的電(diàn)機(jī)驅(qū)動係統的優點
現階段大多數的球磨機仍采用(yòng)三相感應電動機、聯軸器、減速裝置以及齒輪結構進行驅動。永磁同步(bù)電機與感應電機相比優勢是它有較高的(de)效率和功率因數,損耗大大降低(dī),節約了能源。永磁電機通(tōng)過變頻(pín)器進行調速,電機運行平穩,係統響應(yīng)速度快,感應電機則起動相對困(kùn)難(nán)。這(zhè)些也是近年來永磁(cí)電機應用(yòng)越來越廣泛的原因。
采用永磁直驅(qū),取消了(le)中間(jiān)的減速機、聯軸器、及齒輪的傳動環節,縮短係統的傳動鏈,直(zhí)驅(qū)係統的傳動效率將提升至少20%。球磨(mó)機直驅係統的傳動效率不僅得到大幅提升,而且(qiě)直驅係統的故障率低,維護檢(jiǎn)修方便,還避免了傳統設備因漏油造(zào)成環境(jìng)汙染。
由於本產品電機定子采用了(le)模(mó)塊化設計,不僅降低了加工,製造,運輸等難度,還(hái)相(xiàng)當於把一個大功率電機做成了多個小功率(lǜ)電機。模塊化電機的控製(zhì)技術可(kě)以實現降(jiàng)低大功率電機的輸入電壓,但是不增加電機的輸入電流,電機不必采用高等級絕緣,模塊化電(diàn)機采用多台小(xiǎo)功率變頻器聯合供電。這樣設計降低(dī)了電機的供電電壓和使用的變頻器容量,從而降低成本。球磨機運行在輕載工況時(shí),完全可以隻運行部分模塊電機驅動球磨機(jī)。
傳統電機故障時,會導致電機合成磁(cí)動(dòng)勢發生畸變,諧波含量增加,平均轉矩下降,轉矩波動顯著增(zēng)加,無法繼續正常運行。而本產品進行了模塊化設(shè)計(jì),每(měi)個(gè)模塊電機都具有一套獨立的控(kòng)製係統,大大提升了電(diàn)機控製的(de)自由度,可以利用其多電機結構和控製靈(líng)活的優勢,在發生故(gù)障時。可以直接拆(chāi)卸(xiè)故(gù)障(zhàng)電機更(gèng)換新(xīn)的模(mó)塊電機即可正常運(yùn)行。模塊化電機具有冗餘的模塊數,也可切除故障子模塊而(ér)控製其餘正常子模塊(kuài)降(jiàng)額運(yùn)行。使用本產品完全不會(huì)因(yīn)電機發生故障而(ér)影響(xiǎng)到生產工期。

球磨機因加(jiā)工誤差(chà)、軸承磨損、滾筒形變或(huò)重載產生震動等因素會發生轉子偏心現象,偏心嚴重時還會(huì)造成(chéng)電機掃膛損壞電機,實際生產中常常通(tōng)過增(zēng)加氣隙大小來預防掃(sǎo)膛(táng),而氣隙增大會導致永磁體用量增加,提高電機(jī)製造成本。隨動式定子結構的(de)模塊電機,能在轉筒(tǒng)偏心時保證定子與轉子之間的間隙恒(héng)定,可將氣隙做的更小,減(jiǎn)少永磁體用量,電機不(bú)會發生(shēng)掃膛現(xiàn)象,同時因(yīn)為該隨動式定子結構在偏心時能繼續正常工作(zuò),檢修次數更少,工作時間更長,大體積球磨機檢修複雜,降低(dī)檢修次(cì)數就是提高生產(chǎn)效率。
4、隨動式球磨機裝配示意(yì)圖

二(èr)、永磁直驅立磨技術
1、立磨直驅對比於傳統(tǒng)感應電機的優(yōu)點( 1)變頻調速(sù)控製(zhì),實現負載工況多樣性
傳統立磨速度單一,工況適(shì)應能力差。遇到突發事件,調整磨鞮高度來改(gǎi)變係統工作環境,係統反應速度慢。永磁同步電機采用變頻調速(sù),適應工況能力強。遇到突發事件,除調整磨輾高度外(wài),還增加了速度調節以快速適應係統工作環境(jìng),係統反應速度更快。
(2)係統(tǒng)簡單,可靠(kào)性高
傳統係統因三相感應電機無(wú)法在低速實現大轉矩輸出,需要額外的盤車係統滿足立(lì)磨的低速起動。為保證在電(diàn)機起動過程不對電網造(zào)成過大的衝擊,需增加軟起動裝置。三相感應電(diàn)機起動後,通過減速器滿足係統轉矩需(xū)要,整個係統構成複雜,係統運行的輔助設備很多(duō)。直驅係統由變頻控(kòng)製(zhì)係統控製永磁同步電機起動,轉矩特性滿足需要,無需盤車係統和減速器,輔助係(xì)統少,結構簡單。
(3)變頻器軟起(qǐ)動,起動過程隨意設定
傳統係統先(xiān)由低速盤車係統起動,待三相感應電機達到起(qǐ)動條件後,軟起動裝置(zhì)起動三相感應電機,係統運行。係統控製複雜,低速無法實(shí)現過載輸出。在低速過程需要盤車係統,將轉(zhuǎn)速提(tí)高到三相感應電機起動條件。直(zhí)驅係統直接變頻低速起動(dòng),係統直接運行,係統控製(zhì)簡(jiǎn)單。變頻控製起動過程可根據實際工況進行調整,以滿(mǎn)足各種工況的(de)需求。低速可過載輸出,滿足起動需要,取代盤車係統。
(4)無(wú)減速器,維護(hù)成本更低,維護次數少
係統各構成單元均需要時常檢查和定期維護,傳統係統構成單元多。同(tóng)時立磨減速器結構複雜需要經(jīng)常維護,維(wéi)護(hù)成本費(fèi)用(yòng)高(gāo)。同(tóng)時係統(tǒng)無法實現在低速運(yùn)行的情(qíng)況下進行(háng)係統(tǒng)維護(hù)。直驅係(xì)統構成單元簡單,變頻器控製永磁同步電機直接驅動,控製方便。係統內無減速器,無需額外(wài)進行維護,係統維護成本低。同時,係統可實現(xiàn)在電機低速運行情況下進行係統維護。
(5)傳動效率(lǜ)高,節能效果明顯

綜上采用直驅永磁電機取代傳統驅動係統(tǒng)年節電(diàn)量達181萬元(yuán)。(按照5000h,0.6元/kWh)立式鯤磨機直驅係統的優勢(shì)與球磨機直驅係統相同,這裏不再一—贅述(shù)。
2、永磁直驅立磨結構示意圖
本(běn)新型(xíng)立磨結構采用永磁直驅(qū)電(diàn)機驅動,提(tí)高了(le)立磨效率(lǜ)。在立磨扶(fú)正軸承與壓力軸承上進行突破,通過設計一種(zhǒng)雙向載荷扇形模塊機構替代(dài)大直徑軸承,方便加工、生(shēng)產、運輸、裝配、維(wéi)修,並降低成本,在工程實際中具有很強的實用型。

針對大、中、小型不同尺寸的立磨,分別(bié)設計了三種立磨專用永磁電機(jī),代替傳統的減速機與三(sān)相異步電動機,永磁(cí)直驅電機具(jù)有雙向載荷機構(gòu)與不同的放置(zhì)位置,均能達到扶正與承壓的作用,並(bìng)且方便(biàn)製造、裝配維護,節省成(chéng)本。均已申請專(zhuān) 利。
