球磨机改造用高效节能永磁电机项目可行性研究报告Word文件下载.docx

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（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%，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，球磨机一般是选矿厂或加气混凝土工厂中电机容量最大的设备。

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）。

其中传动部是电能损耗的主要的环节，也是节能增效的关键环节。

低速大转矩传动系统一般是指转速低于500r/min，额定输出转矩大于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，球磨机传动系统，是典型的低速大转矩系统。

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，永磁电机可以实现低速大转矩直驱运行，这是异步机和直流机无法实现，这种特性使得永磁电机在低速大转矩的传动系统应用前景非常广泛。

2低速大转矩永磁电机的节能原理

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10～15个百分点。

而且，永磁同步电动机在25％～120％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，其实就是如何使产生内电势的磁场波形正弦化的问题。

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】转子永磁体结构形式的选取

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3PMSM转子切向结构磁极的基本形式

【2】主磁极极弧系数的选择

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】电枢绕组的排布方式

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。

（1）

式中：

Q——电枢绕组的槽数；

P——电机极对数。

【4】齿谐波影响的消除

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）

——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

3.1系统改造思路示意

本次改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

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

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

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

表1新型永磁电机球磨机与常规球磨机主要性能比较。

名称

永磁电机球磨机

异步机-减速机球磨机

电机功率（KW）

300

370

减速器

无

有

起动器

变频器一拖多

水电阻

传动系统效率

>

90％

<

75％

功率因数

0.95

0.7

维护频率

低或无

高

【1】异步电机-减速机的主要缺点表现在：

●系统整体传动效率低。

●系统的功率因数差。

●整机占地面积大。

●调整维护困难。

●振动和噪声严重。

【2】新型永磁电机球磨机的主要性能优势：

●大幅度地提高球磨机传动系统的力能指标

图8异步机效率、功率因数与负载率关系图9永磁电机效率、功率因数与负载率关系

异步电动机需要电源提供滞后的无功来建立机电能量转换所必须的磁场。

因此，其效率和功率因数与电机的负载率直接相关，如图5所示。

在各种机械装备中，电机的额定功率都是按照满足装备极限能力需要而选定的。

而在实际的运行中，大部分机械装备的负载率都是在70%以下，其中矿山、石油等行业机械装备常年负载率在50%以下。

从图8可见，当异步电动机负载率低于50%时，其效率和功率因数都下降十分显著。

本项目所提出的稀土永磁同步电动机，其磁场由稀土永磁功能材料产生，因此其效率、功率因数与负载率的关系与异步电动机相比，具有明显的不同，如图9所示。

这种近似与负载率无关的力能特性，特别适合机械装备的特点。

因此，本项目成果推广应用，将大幅度地提高选矿厂球磨机电气传动的力能指标。

●可以实现机械装备的无齿轮传动

在传统的球磨机传动系统中，由于异步电动机无法制成多极，为了满足负载的低速大转矩需要，一般采用异步电动机-齿轮减速机的方式实现。

齿轮减速机的存在不仅增加了系统的制造成本，其自身的传动效率低、振动和噪声严重、润滑油渗漏污染、日常维护工作量大等弊端，都增加了机械装备的运行成本。

本项目提出的稀土永磁同步电动机，可以直接设计成低速大转矩，能够直接满足负载需要的速度和力矩的要求，从根本上克服了异步电动机-齿轮减速机传动系统存在的各种弊端。

因此，改善球磨机的性能指标，提高抽油机的运行效率，从而更好地实现节能增效，改善电网的供电状况，对矿石加工行业的发展起着举足轻重的作用。

4球磨机用永磁电机节能分析

表2节能分析表

异步机—减速机

永磁电机

功率

370kW

300kW

效率

86%*88%=75