1、技术背景

　　传统的球磨机、立磨机大（dà）都采用三（sān）相异步电动机、联轴器、减速装置（zhì）以及齿轮结构进行驱动，导致球（qiú）磨（mó）机的传动系统存在机械传动链冗长、效率低、机构复杂、运行维护工作量大等问题。

　　沈阳工业大学电机与控制技术研究所（suǒ）与河（hé）南日本一二三区视频在线机电设备有限公司联合设计研（yán）发的球磨机、立磨机采用永（yǒng）磁直（zhí）驱电机,通过将电（diàn）动机与机械结（jié）构进行（háng）机电一体化设（shè）计，取消（xiāo）动力传输的中间环节，做成直驱方案，能直接满足荷载的需求，省去传统磨机的减速机，显著提高了电机的效率与功率因数，具有节能、起动（dòng）转矩大、过载能力强（qiáng）、系统免维护、自动化程度高等优点。

　　在控制方面,本产品电机定子采用（yòng）了模块化设计，不仅降低了加工、制造、运输（shū）等难度，还相当于把一个大功率电机做成了多个小功率电机。模块化（huà）电机的控制技术可（kě）以实现降（jiàng）低（dī）大功率电机的输入电压，但是不增加电机的输入（rù）电流，电（diàn）机不必采用高等级绝缘。模块化电（diàn）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（de）供电电压和使用的变频器容量，从而降低成本。每个模（mó）块电机都具有一套独立的控制（zhì）系（xì）统，大大提升了电（diàn）机控制的（de）自由度，球磨机运行（háng）在轻载工（gōng）况时，完全可以只运行部分模块电机驱（qū）动球磨机。

　　在（zài）结（jié）构方面，本产品（pǐn）电机的（de）定子采用了一种自主设计研发的随动式结构，将整圆的定子分成若干个相互存在间隙的小扇形块，通过机械结构（gòu）设计，确定了一种无论球磨机转筒是否震动或偏心，定子块始终跟随转筒运动从而（ér）保持定子与转子间隙恒定的结构。本产品通（tōng）过机（jī）械结构设计保证定子与转子间的间隙恒（héng）定，电机不（bú）会发生扫（sǎo）膛（táng）现象，因此电（diàn）机（jī）的气隙可以设计（jì）的（de）比普通永磁直驱电机的小很多，从而大幅降低电机永磁体用量，降低生产成本（běn），节约稀土资源，节能用电量（liàng）。当模（mó）块发生故障时，直接拆（chāi）卸故（gù）障电机，更换新的模块电机即可正常（cháng）运行。使（shǐ）用本产（chǎn）品完全不会因电（diàn）机发生故（gù）障而影响到生产工期。

　　2、球（qiú）磨机专用随动式永磁直驱电机概述

　　本（běn）产品的随动式定子结构构成一种“小车结构”，滚筒就像（xiàng）公路，定子块就（jiù）像汽车（chē）。滚轮贴合滚筒旋转相当于汽车在公（gōng）路行驶，公路的起伏不影响车轮与地面贴合，即滚筒偏心浮动不影响滚轮贴合滚筒，保（bǎo）证（zhèng）定子、转子（zǐ）间隙（xì）恒定，在（zài）球磨（mó）机因（yīn）装（zhuāng）配（pèi）误差、轴承磨损、滚（gǔn）筒形变、重载（zǎi）震动等原因造成电机偏心、气隙不均匀时（shí），仍能正常运转，保证磨机（jī）始终运行在性（xìng）能（néng）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（gèng）小，减少（shǎo）永磁体用量，并且因为随动式结构，电机不会发生扫膛现象。

　　本产品电机的定子为随动式结构,基于模块化永磁直驱电机，采用独立的扇形定子块结（jié）构，其随动原理是在定子块的轴向两侧（cè）安（ān）装滚轮且滚轮贴合滚筒来确定定子与转子间的间隙，定子（zǐ）块（kuài）径（jìng）向外侧设有与支撑（chēng）框架相连的弹性机构。弹性机构在球磨机滚筒不（bú）偏心时处于半（bàn）压缩（suō）状态,如果球磨机滚筒向上波动，转筒会向（xiàng）上顶定子块上安装的滚轮，进而带动定子块向上移动，上方弹性机构继续压缩;下方定子块在受到永磁体（tǐ）对其（qí）向上（shàng）的吸引力的同时，定子块上的弹性机构将其向上顶，保（bǎo）证下方定子块的（de）滚轮依然贴合转筒外（wài）表面，使定子块跟随转（zhuǎn）筒波动而进行径向与圆周方向的移动（dòng），从而保证（zhèng）定子、转子之间的间隙不变（biàn）。球磨机滚筒向下复位或继续向下波动，则上方定子块（kuài）在（zài）受到永（yǒng）磁体（tǐ）对其向（xiàng）下的吸引力的同时，弹性机构将（jiāng）上方其向下（xià）压,下方（fāng）定子块被转筒向下压。

　　本产品弹性（xìng）装置的压力大小可调，对于不（bú）同位置的定（dìng）子块设置不同的压力,避免（miǎn）因弹性装置设（shè）置的压力过（guò）大造成滚轮或转筒磨损（sǔn）较（jiào）快（kuài）。

　　本产品将永磁电机采用模块化控制，根据不同功率的电机（jī）设计采用不同个数的随动式定子（zǐ）块构成一台模块电机，一台整圆电机由多台模块电机构成,多台模块电机共用同一个转子，模块电机包绕式安装在（zài）球磨机滚筒上。相邻随动式定子块间设有固定在（zài）支撑框架上的挡（dǎng）板来对定子块（kuài）进行圆周方（fāng）向的限位。球磨机滚筒的法兰处衔（xián）接（jiē）T型支撑板,用于（yú）支撑安装电机转子铁心及磁钢。

　　本产品的随（suí）动式（shì）定子块（kuài）安装拆卸十分便捷，只需要沿球磨机的径向依次拆卸密封外壳、弹性机构、弹性机构与定子块之间的连接杆、弹（dàn）性机（jī）构支撑架，即可将定子块沿径向拉出，进行检修或（huò）更换新的定子块。

　　3、采用（yòng）本产品代替传统磨机的电机驱动系（xì）统的优点

　　现阶（jiē）段大多数的球（qiú）磨机仍采用三相感应电动机、联轴（zhóu）器、减速装置以及齿轮结构进行驱动。永磁同步电机与感应电机相比优势是它（tā）有较高（gāo）的效率和功率（lǜ）因（yīn）数，损耗大大降低（dī），节约了能源。永磁电机通过变（biàn）频器进行调速，电机运行平稳，系统响应速度快，感应电机则起动相（xiàng）对困难。这些也是（shì）近年来永磁（cí）电机应用越来越广泛的原因。

　　采（cǎi）用永磁（cí）直驱，取消了中间的减速机、联轴（zhóu）器、及齿轮的传动环节，缩短系统的传动链，直（zhí）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仅得到大幅提升，而且直驱系统的故障率低，维（wéi）护检修方便，还避免了传（chuán）统设备因（yīn）漏油造成环境污染。

　　由于本产品电（diàn）机定子采用了模块化设计，不仅降低了加工（gōng），制造，运输等难度，还相当于（yú）把一个（gè）大功率电机做成了多（duō）个小功率电机。模块（kuài）化电机的控制技术可以（yǐ）实现降低大功率电（diàn）机的输入电（diàn）压，但是不（bú）增加电机的输入电流（liú），电机不必采用高（gāo）等级绝缘，模块化电机采用多台小功率变频器联合供（gòng）电。这样设计降低了电机的供电电压和使用（yòng）的变频器（qì）容量（liàng），从而降低成本。球磨机运行在轻载（zǎi）工况时,完全可以只（zhī）运行部分模块（kuài）电机驱动球磨（mó）机。

　　传统电机故障时，会导致电机合成磁动势发生（shēng）畸变，谐波含量增加，平（píng）均转矩下（xià）降（jiàng），转矩波动显著增加，无法继续正常运行。而本产品进行了（le）模块化设计，每个模（mó）块（kuài）电机都具有一套独立的控制系统（tǒng），大大提（tí）升了电机控制的自由度,可以利（lì）用其多电机（jī）结构和控制（zhì）灵活的优势，在发生故障时（shí）。可以直接拆卸故障电机更换新的模（mó）块电机（jī）即可（kě）正常运行。模块化电机具有冗余的模块数，也可（kě）切除故障子模块而控制其余正常（cháng）子模块降额运行。使用本产（chǎn）品完全（quán）不会因电机发生故障而影响到生产工期（qī）。

　　球磨机因加工误差、轴（zhóu）承磨损、滚筒形变或重载产生震动等因素会发生转子偏心现象，偏（piān）心严重时还会造成（chéng）电机（jī）扫（sǎo）膛损（sǔn）坏电机，实际生产中常常通过增加气隙大小来预（yù）防扫膛，而气隙增大会导致永磁体（tǐ）用量增加（jiā），提高电机制造成本（běn）。随（suí）动（dòng）式定子结构的模块电机，能在转筒偏（piān）心时保证（zhèng）定子与转子之（zhī）间的间隙恒定，可将气（qì）隙做的更小，减少永磁体用量，电机不会发生扫膛现象，同时因（yīn）为该（gāi）随动（dòng）式定子结构在偏心时能继续正常工作，检修次数更少，工作时间更长，大体积球磨机（jī）检修复杂，降低检（jiǎn）修（xiū）次数就是提高生产效（xiào）率。

　　4、随动式球磨机装配（pèi）示意图

　　二、永磁直驱立（lì）磨技术

　　1、立磨（mó）直驱对比于传统感应电机的优点( 1）变频调速控制，实现负载工况多样性

　　传统立磨（mó）速度单一，工况适应能力差。遇到突发（fā）事件，调（diào）整磨鞮（dī）高度来改变系统工作环境，系统反应速度慢（màn）。永磁同（tóng）步电机采用变频调（diào）速，适应工况能力（lì）强。遇到突发事（shì）件，除调整磨辗高度外，还增（zēng）加了速度调节以快速适应系统工（gōng）作环（huán）境，系统反应速度更快。

　　(2）系统简单,可靠性高

　　传统系统（tǒng）因三相感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起动。为保证在电机（jī）起动过（guò）程不（bú）对电网造成过大的冲击，需增加软起动装置。三相感应电机（jī）起动后，通过减速器满足（zú）系统转矩需要，整个系统构成复杂，系统运行的辅助设备（bèi）很多。直驱（qū）系统由（yóu）变频（pín）控制系统控（kòng）制永磁同步电机起动，转矩（jǔ）特性满足需要，无需盘车（chē）系统和减速器，辅助系统少，结（jié）构（gòu）简单。

　　(3）变频器（qì）软起动，起动过程随意设（shè）定

　　传统系统先由低速（sù）盘车系统起动（dòng），待三相感应电机达到（dào）起动（dòng）条件后，软（ruǎn）起动装置起动三相感应电机，系统运行。系统（tǒng）控制复杂，低速无法实现过载输出。在低（dī）速过程（chéng）需要（yào）盘车系统，将转速提高到三相感应（yīng）电机起动条件。直驱系统直接变频低速起动（dòng），系统直接运行，系统控（kòng）制简单。变频控制起动过程可根据实（shí）际工况进行调整，以满足各种工（gōng）况的需求。低速可过载（zǎi）输出，满足起动需要，取代盘车系统。

　　(4）无减（jiǎn）速器，维护成本更低,维护次数少

　　系统各（gè）构成单元均需要（yào）时常（cháng）检查和定期维护，传统系（xì）统构成单（dān）元多。同时立磨减速器结构复杂需要经常维护，维护成本费用高。同时系统无法实现在低速运行的（de）情况下进行系统维护。直（zhí）驱系统构成单元（yuán）简单，变（biàn）频器控制永磁同步（bù）电机直接驱动（dòng），控制方便。系统内无减速器，无需额外进行维护，系统维护成本低。同时，系统可实（shí）现在电机低速运行（háng）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（dòng）系统年（nián）节电量达181万元。（按照5000h,0.6元/kWh）立式鲲磨机（jī）直驱系统的优势与球磨机直驱（qū）系统相同，这里不再一—赘述（shù）。

　　2、永磁直驱立磨（mó）结构示（shì）意图

　　本新（xīn）型立磨结构采（cǎi）用永磁直驱电（diàn）机驱动,提（tí）高了立磨效率。在立磨扶正轴承与压力轴承上进行突破，通过设计（jì）一种双向载荷扇形模块机（jī）构替代大直径轴承，方便加工、生产、运输、装配、维修，并降低成（chéng）本,在工程实际中具有很强的实用型。

　　针对大、中、小型不同尺寸的立磨，分别设计了三种立磨专用永磁电（diàn）机，代替传统的减速机与三相异步电动机，永磁直驱电机具有双（shuāng）向载荷机构与不同的放置位置，均能达到扶正与承压（yā）的作用，并（bìng）且（qiě）方便制造、装配维护，节省成本。均已申请专 利（lì）。