永磁直驱球磨机、立磨机
1、技术背景 传统的球磨机、立磨机大都采用三相异步电动机、联轴器、减速装置以及齿轮结构进行驱动，导致球（qiú）磨（mó）机的传动系（xì）统（tǒng）存在（zài）机械传动链冗长、效率（lǜ）低、机（jī）构复杂、运行维护工作量（liàng）大等问题。 沈阳工业大学电机与控制技术研究所与河南全（quán）新机电设备有限公司联合设计研发的球（qiú）磨机、立磨机采用（yòng）永磁直驱电机,通过将电（diàn）动机与机械（xiè）结构进行（háng）机电一体化设计，取（qǔ）消动力（lì）传输的中间环节，做成直驱方案，能直接满足荷载的需求，省（shěng）去传统磨机的减速机，显著提高了电机的效率与功率因数，具有节（jiē）能、起（qǐ）动转矩大、过载能力强、系统免维护、自动化程度高等优点。 在控制方面,本产品电机定（dìng）子采用了模块化设计，不（bú）仅降低了加（jiā）工、制造、运输等（děng）难度（dù），还相当于把一个大功率电机做成（chéng）了多个（gè）小功率电机。模块化电机的控制技术可以实现（xiàn）降低大功率电机的输入电压，但是不增加电机的输入电流，电机不必采用高等（děng）级绝缘。模块化电机采用多（duō）台（tái）小功率变（biàn）频器联合供（gòng）电，这样设（shè）计降低了电机的（de）供电电（diàn）压和使用的变频器容量，从而降低成本。每个模块电机都具有一套独立（lì）的控制（zhì）系统，大大提升了电机控制（zhì）的自由度，球磨（mó）机运行在轻载工况时，完全可以只运行（háng）部分模块电机驱动球磨机。 在结构方面，本产品电机的定子采用了一种自主设计研发的随动式结构，将（jiāng）整圆的定子分成若（ruò）干个相互存在间隙的小扇形块，通过（guò）机械结构设计，确定了一种无论球磨机转筒是否震动或偏心，定子块始终（zhōng）跟随转筒运动从（cóng）而保持定子与转子间隙恒定的（de）结构。本产品通过（guò）机械结构设计保证定子（zǐ）与转子（zǐ）间的间隙恒定，电机不会发生扫膛现象，因此电机的（de）气隙可以设计的比普通永磁直驱电机的小很多（duō），从而（ér）大幅降低电机永磁体用量，降低生产（chǎn）成本，节约稀土资源，节能用电量。当模块发生（shēng）故障时，直接拆卸故障电机，更换新的模块电（diàn）机即可正常运行。使用本产品完全不会因（yīn）电机（jī）发生故障而影响到生产工期。 2、球磨机专用随动（dòng）式永磁直驱电机概述 本产品的随动（dòng）式定子结构构成一种“小车结构”，滚筒就像公路，定子（zǐ）块就像汽车。滚轮贴合滚筒旋转（zhuǎn）相当于汽车在公（gōng）路行驶，公路的起伏不影响车（chē）轮与地面贴合，即滚筒偏心浮动不影响滚轮贴合滚筒，保证定子、转子间隙恒定，在球（qiú）磨机因装配误差、轴承磨损、滚筒形变、重载震动等原因造成（chéng）电机偏心、气隙不均匀时，仍能正常运转（zhuǎn），保证磨机始终运行在性能状态，不必停机检修。同时电机定子与转子间的间隙也可以做的更小，减少永磁体用量，并且因为随动式结构，电机不会发（fā）生扫膛（táng）现象。 本产品电机的定子为（wéi）随动式结构,基于模块化永磁直驱电机，采用独立的扇（shàn）形定子块结构，其随动原理是在（zài）定子块的轴向两侧安（ān）装滚（gǔn）轮且滚轮贴合滚（gǔn）筒来（lái）确定（dìng）定子（zǐ）与转（zhuǎn）子间的间隙，定子块径向外侧设有与支撑框架相连的弹性机构。弹性机构在球磨机滚筒不偏心时处于半压缩状态,如果球磨机滚筒向上波动，转筒会向上顶定子（zǐ）块上安装的滚轮，进而带动定子（zǐ）块向上移动，上方弹性机构继续压缩;下方定子块在受到（dào）永磁体（tǐ）对其（qí）向上的吸引力的同时，定子块上的弹性机构将其向上顶，保证下方（fāng）定子块的（de）滚轮依然贴合转筒外表面，使定子块跟随转（zhuǎn）筒波动而进行径向与圆周方向（xiàng）的移动（dòng），从而保证定子、转子之（zhī）间（jiān）的间隙不变。球磨机滚筒向下（xià）复位或继续向下波动，则（zé）上方定子块在受（shòu）到永磁体对其向（xiàng）下的（de）吸引力的同时，弹性机构将上方其向下压,下（xià）方定子块被转筒向下压。 本产品弹性装置的压（yā）力（lì）大小可调，对于不同位置的定子块设置不同的（de）压力,避免因弹性装置设置的（de）压（yā）力过大造成滚轮或转筒磨损较快。 本产品将永磁电机（jī）采用模块化控制，根（gēn）据不同功率的电机（jī）设计采用不同个数的随动式定子（zǐ）块（kuài）构成一台（tái）模块电机（jī），一台整圆电机由多（duō）台模块电机构成,多台模块电机共用同（tóng）一个转子，模块电机包绕式安装在（zài）球磨（mó）机滚筒上。相邻随动式定子块间设有固定在支撑框架上的挡板来对（duì）定子块进（jìn）行圆（yuán）周方向的（de）限位。球磨机滚筒的法兰处衔接T型支撑板,用于支撑安装电机转子铁心及磁钢。 本产品的（de）随动式定子块安装拆卸十分便捷，只需要（yào）沿球（qiú）磨机的径向（xiàng）依次（cì）拆卸密封外壳、弹性机构、弹性机构与定子块之间的连接杆（gǎn）、弹性机构（gòu）支撑架，即可将定（dìng）子块沿径向（xiàng）拉出，进行检修或更换（huàn）新的（de）定子块。 3、采用本产品代替传（chuán）统磨机的电机驱动系（xì）统的优点 现阶段大多数的球磨机仍采用三相感应电动（dòng）机、联（lián）轴器、减速装置以（yǐ）及齿轮结构进行驱动。永磁同步电机与（yǔ）感应电机相比优势是它有较高的效率（lǜ）和功率因数，损耗大大（dà）降低，节约了能源。永磁电机通（tōng）过变频器进行调速，电机运行（háng）平稳，系统响应速度快，感应电机（jī）则（zé）起动相对困难。这些也是近（jìn）年（nián）来永磁电机应用越来越（yuè）广泛的原因。 采用永磁直驱，取消了中间的减速机、联轴器、及齿轮的传动（dòng）环节（jiē），缩短系（xì）统的传动链，直驱系统的传（chuán）动效率将提升至少20%。球磨机直驱系统的传动效率不（bú）仅得到大幅（fú）提升，而且直驱系统的故障率（lǜ）低，维护（hù）检修方便（biàn），还避免了传统（tǒng）设备因漏油造成环境污染。 由于本产（chǎn）品电机定子采用了模（mó）块化设计，不仅降低了加工（gōng），制造（zào），运输等难度，还相当于把一个大功率电机做成了多个小（xiǎo）功率电机（jī）。模块化电机的控制技术可（kě）以实现降低大功率电机的输（shū）入电（diàn）压，但是不增加电机的输入电流，电机不（bú）必采用高等级绝（jué）缘（yuán），模块化电机采用多台小功率变频器联合供电。这样设计降低了电机的供（gòng）电电压和使用的变频器容量，从而降低成本。球磨机运行在轻载工况时,完全可以只运行部分模块电机驱动球（qiú）磨机。 传统电机故障（zhàng）时，会导致电机合成磁动势发生畸（jī）变，谐波含量（liàng）增加，平均转矩下降（jiàng），转矩波动显著增（zēng）加，无法继续正常运行。而本（běn）产品进行（háng）了（le）模块化（huà）设计，每（měi）个模块电机都具有一（yī）套独（dú）立的控制系（xì）统，大大提升了电机控（kòng）制的自由度,可以利用其多电机结构和控制灵活的优势，在发生故障时。可以直接拆卸（xiè）故障电机更换新的模块（kuài）电机即可正常运行。模块（kuài）化电机具有冗余的模（mó）块数，也可切除故障子模块而控制其余正常子模块降额运行。使用本产品完全不会因电机发（fā）生故障而影响到生产工（gōng）期。 球磨机因加工误差、轴承磨损、滚筒形变或重载（zǎi）产生震动等因素会发生转子偏心现象（xiàng），偏心严重时还会造成电机扫膛损坏电机，实际生产中常常通过增加气隙大小（xiǎo）来预防扫（sǎo）膛，而（ér）气（qì）隙增大（dà）会导致（zhì）永磁体用（yòng）量增加，提高电机制造成本。随动式定子结构的模块电机，能在转筒偏心时保证定子与转子之间的间隙恒（héng）定，可将气隙做的更小，减少（shǎo）永磁体用量，电机不会发生扫膛现象，同时因（yīn）为该随动式定子结构在偏心时能继（jì）续正常（cháng）工作，检修次数更少，工作时间更长，大体积球磨机检修复杂，降低检修次数就是提高生产效（xiào）率。 4、随动式球磨机（jī）装配示（shì）意图 二、永磁直驱立（lì）磨技术 1、立磨直驱对（duì）比（bǐ）于传统感应电机的优（yōu）点( 1）变频调速控制，实现负载工（gōng）况多样性 传统立磨速度单一，工况适应能力差。遇到突发事（shì）件，调整磨鞮高度来改变系统工作环境，系统反应速度慢。永磁同步电机（jī）采用变频调速，适应工况能力强。遇到突发事件，除调整磨辗高度外，还增加了速度调节以快速（sù）适应系统工作环境，系（xì）统反应速度更快。 (2）系统简单（dān）,可靠性高 传统系统因三相感（gǎn）应电机无法在低速实现大转矩输出，需要额外的盘车系统满足立磨的低速（sù）起动。为保证在电机（jī）起（qǐ）动过程不（bú）对（duì）电网造成过大的冲击，需（xū）增加软起动装置。三相感应电机（jī）起动后，通过（guò）减速器（qì）满足系统转矩需要，整个系（xì）统构成复杂，系统运行的辅助设备很多。直驱系统由变频控制（zhì）系统控制永磁同步电机起动，转矩特性满足需要，无需盘车系统和减速（sù）器，辅助系统少（shǎo），结构简单。 (3）变频器软起动，起动过程随意设（shè）定 传统系统先由低速盘车系统起动，待三相感应电机达到起动条件后，软起动装置起动三（sān）相感（gǎn）应电机，系统（tǒng）运行。系（xì）统控制（zhì）复（fù）杂，低速无法实现过载输出。在低速过程需要盘车系统，将转速提高到三相感应电机（jī）起动条件。直驱系统直接变频低速起动（dòng），系统直接运（yùn）行，系统控制简单。变频控制起动过程可根据实际工况进行（háng）调整，以满足（zú）各种工况的需（xū）求（qiú）。低速可过载输出，满足起动需（xū）要，取代盘车系（xì）统。 (4）无减速器，维护成本更低,维（wéi）护次数少 系统各构成单（dān）元均需要时常检查和定期维护（hù），传统系（xì）统（tǒng）构成单元多。同时立磨减速器结构复杂需要经常维护，维护（hù）成本费用高。同时系统无法实现在低速运行的情况下进行系统维护（hù）。直驱（qū）系统构成单（dān）元简单，变频器控制永磁同步电机直（zhí）接驱动，控制方便。系统内无减速器，无需额（é）外进行维护，系统（tǒng）维护成本低。同时，系统可（kě）实现在电机（jī）低速运行情况下进行系统维护。 (5）传动效率高,节能效果明显 综上采用直驱永磁电机取代传统驱动系统年节电量达181万元。（按照5000h,0.6元/kWh）立式鲲磨机直驱系（xì）统的优势与球磨机（jī）直驱（qū）系统（tǒng）相同，这里不再（zài）一—赘述。 2、永（yǒng）磁（cí）直驱立磨结构示意图 本（běn）新型立（lì）磨结构采（cǎi）用永磁直驱电机驱动（dòng）,提高了立磨效率。在立磨扶正轴承（chéng）与压力轴承上进行突破（pò），通过设计一种双向载荷扇（shàn）形（xíng）模（mó）块机构（gòu）替代大直径轴承，方便加工、生产、运输、装配、维修，并降低成本,在工程实际中具有很强（qiáng）的实用型。 针对大、中、小型不同尺寸的立磨，分别（bié）设计了（le）三种立磨专用永磁电机，代替传统的减速（sù）机与三相异步电动机，永磁直（zhí）驱电机（jī）具有（yǒu）双向载荷机构与不同的放置位置，均能达到扶（fú）正与承压的作用（yòng），并且方便制造、装配维护，节省成（chéng）本。均已申请专 利。
永磁直驱矿用球磨机 
