1、技術背景
傳統(tǒng)的球磨機、立磨機大都采用三相異步電動機、聯(lián)軸器、減速裝置以及齒輪結構進行驅動，導致球磨機的傳動系統(tǒng)存在機械傳動鏈冗長、效率低、機構復雜、運行維護工作量大等問題。
沈陽工業(yè)大學電機與控制技術研究所與河南全新機電設備有限公司聯(lián)合設計研發(fā)的球磨機、立磨機采用永磁直驅電機,通過將電動機與機械結構進行機電一體化設計，取消動力傳輸?shù)闹虚g環(huán)節(jié)，做成直驅方案，能直接滿足荷載的需求，省去傳統(tǒng)磨機的減速機，顯著提高了電機的效率與功率因數(shù)，具有節(jié)能、起動轉矩大、過載能力強、系統(tǒng)免維護、自動化程度高等優(yōu)點。
在控制方面,本產品電機定子采用了模塊化設計，不僅降低了加工、制造、運輸?shù)入y度，還相當于把一個大功率電機做成了多個小功率電機。模塊化電機的控制技術可以實現(xiàn)降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。模塊化電機采用多臺小功率變頻器聯(lián)合供電，這樣設計降低了電機的供電電壓和使用的變頻器容量，從而降低成本。每個模塊電機都具有一套獨立的控制系統(tǒng)，大大提升了電機控制的自由度，球磨機運行在輕載工況時，完全可以只運行部分模塊電機驅動球磨機。
在結構方面，本產品電機的定子采用了一種自主設計研發(fā)的隨動式結構，將整圓的定子分成若干個相互存在間隙的小扇形塊，通過機械結構設計，確定了一種無論球磨機轉筒是否震動或偏心，定子塊始終跟隨轉筒運動從而保持定子與轉子間隙恒定的結構。本產品通過機械結構設計保證定子與轉子間的間隙恒定，電機不會發(fā)生掃膛現(xiàn)象，因此電機的氣隙可以設計的比普通永磁直驅電機的小很多，從而大幅降低電機永磁體用量，降低生產成本，節(jié)約稀土資源，節(jié)能用電量。當模塊發(fā)生故障時，直接拆卸故障電機，更換新的模塊電機即可正常運行。使用本產品完全不會因電機發(fā)生故障而影響到生產工期。
2、球磨機專用隨動式永磁直驅電機概述
本產品的隨動式定子結構構成一種“小車結構”，滾筒就像公路，定子塊就像汽車。滾輪貼合滾筒旋轉相當于汽車在公路行駛，公路的起伏不影響車輪與地面貼合，即滾筒偏心浮動不影響滾輪貼合滾筒，保證定子、轉子間隙恒定，在球磨機因裝配誤差、軸承磨損、滾筒形變、重載震動等原因造成電機偏心、氣隙不均勻時，仍能正常運轉，保證磨機始終運行在性能狀態(tài)，不必停機檢修。同時電機定子與轉子間的間隙也可以做的更小，減少永磁體用量，并且因為隨動式結構，電機不會發(fā)生掃膛現(xiàn)象。
本產品電機的定子為隨動式結構,基于模塊化永磁直驅電機，采用獨立的扇形定子塊結構，其隨動原理是在定子塊的軸向兩側安裝滾輪且滾輪貼合滾筒來確定定子與轉子間的間隙，定子塊徑向外側設有與支撐框架相連的彈性機構。彈性機構在球磨機滾筒不偏心時處于半壓縮狀態(tài),如果球磨機滾筒向上波動，轉筒會向上頂定子塊上安裝的滾輪，進而帶動定子塊向上移動，上方彈性機構繼續(xù)壓縮;下方定子塊在受到永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上頂，保證下方定子塊的滾輪依然貼合轉筒外表面，使定子塊跟隨轉筒波動而進行徑向與圓周方向的移動，從而保證定子、轉子之間的間隙不變。球磨機滾筒向下復位或繼續(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，彈性機構將上方其向下壓,下方定子塊被轉筒向下壓。
本產品彈性裝置的壓力大小可調，對于不同位置的定子塊設置不同的壓力,避免因彈性裝置設置的壓力過大造成滾輪或轉筒磨損較快。
本產品將永磁電機采用模塊化控制，根據(jù)不同功率的電機設計采用不同個數(shù)的隨動式定子塊構成一臺模塊電機，一臺整圓電機由多臺模塊電機構成,多臺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圓周方向的限位。球磨機滾筒的法蘭處銜接T型支撐板,用于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，只需要沿球磨機的徑向依次拆卸密封外殼、彈性機構、彈性機構與定子塊之間的連接桿、彈性機構支撐架，即可將定子塊沿徑向拉出，進行檢修或更換新的定子塊。
3、采用本產品代替?zhèn)鹘y(tǒng)磨機的電機驅動系統(tǒng)的優(yōu)點
現(xiàn)階段大多數(shù)的球磨機仍采用三相感應電動機、聯(lián)軸器、減速裝置以及齒輪結構進行驅動。永磁同步電機與感應電機相比優(yōu)勢是它有較高的效率和功率因數(shù)，損耗大大降低，節(jié)約了能源。永磁電機通過變頻器進行調速，電機運行平穩(wěn)，系統(tǒng)響應速度快，感應電機則起動相對困難。這些也是近年來永磁電機應用越來越廣泛的原因。
采用永磁直驅，取消了中間的減速機、聯(lián)軸器、及齒輪的傳動環(huán)節(jié)，縮短系統(tǒng)的傳動鏈，直驅系統(tǒng)的傳動效率將提升至少20%。球磨機直驅系統(tǒng)的傳動效率不僅得到大幅提升，而且直驅系統(tǒng)的故障率低，維護檢修方便，還避免了傳統(tǒng)設備因漏油造成環(huán)境污染。
由于本產品電機定子采用了模塊化設計，不僅降低了加工，制造，運輸?shù)入y度，還相當于把一個大功率電機做成了多個小功率電機。模塊化電機的控制技術可以實現(xiàn)降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，模塊化電機采用多臺小功率變頻器聯(lián)合供電。這樣設計降低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,完全可以只運行部分模塊電機驅動球磨機。
傳統(tǒng)電機故障時，會導致電機合成磁動勢發(fā)生畸變，諧波含量增加，平均轉矩下降，轉矩波動顯著增加，無法繼續(xù)正常運行。而本產品進行了模塊化設計，每個模塊電機都具有一套獨立的控制系統(tǒng)，大大提升了電機控制的自由度,可以利用其多電機結構和控制靈活的優(yōu)勢，在發(fā)生故障時?？梢灾苯硬鹦豆收想姍C更換新的模塊電機即可正常運行。模塊化電機具有冗余的模塊數(shù)，也可切除故障子模塊而控制其余正常子模塊降額運行。使用本產品完全不會因電機發(fā)生故障而影響到生產工期。
球磨機因加工誤差、軸承磨損、滾筒形變或重載產生震動等因素會發(fā)生轉子偏心現(xiàn)象，偏心嚴重時還會造成電機掃膛損壞電機，實際生產中常常通過增加氣隙大小來預防掃膛，而氣隙增大會導致永磁體用量增加，提高電機制造成本。隨動式定子結構的模塊電機，能在轉筒偏心時保證定子與轉子之間的間隙恒定，可將氣隙做的更小，減少永磁體用量，電機不會發(fā)生掃膛現(xiàn)象，同時因為該隨動式定子結構在偏心時能繼續(xù)正常工作，檢修次數(shù)更少，工作時間更長，大體積球磨機檢修復雜，降低檢修次數(shù)就是提高生產效率。
4、隨動式球磨機裝配示意圖
二、永磁直驅立磨技術
1、立磨直驅對比于傳統(tǒng)感應電機的優(yōu)點( 1）變頻調速控制，實現(xiàn)負載工況多樣性
傳統(tǒng)立磨速度單一，工況適應能力差。遇到突發(fā)事件，調整磨鞮高度來改變系統(tǒng)工作環(huán)境，系統(tǒng)反應速度慢。永磁同步電機采用變頻調速，適應工況能力強。遇到突發(fā)事件，除調整磨輾高度外，還增加了速度調節(jié)以快速適應系統(tǒng)工作環(huán)境，系統(tǒng)反應速度更快。
(2）系統(tǒng)簡單,可靠性高
傳統(tǒng)系統(tǒng)因三相感應電機無法在低速實現(xiàn)大轉矩輸出，需要額外的盤車系統(tǒng)滿足立磨的低速起動。為保證在電機起動過程不對電網(wǎng)造成過大的沖擊，需增加軟起動裝置。三相感應電機起動后，通過減速器滿足系統(tǒng)轉矩需要，整個系統(tǒng)構成復雜，系統(tǒng)運行的輔助設備很多。直驅系統(tǒng)由變頻控制系統(tǒng)控制永磁同步電機起動，轉矩特性滿足需要，無需盤車系統(tǒng)和減速器，輔助系統(tǒng)少，結構簡單。
(3）變頻器軟起動，起動過程隨意設定
傳統(tǒng)系統(tǒng)先由低速盤車系統(tǒng)起動，待三相感應電機達到起動條件后，軟起動裝置起動三相感應電機，系統(tǒng)運行。系統(tǒng)控制復雜，低速無法實現(xiàn)過載輸出。在低速過程需要盤車系統(tǒng)，將轉速提高到三相感應電機起動條件。直驅系統(tǒng)直接變頻低速起動，系統(tǒng)直接運行，系統(tǒng)控制簡單。變頻控制起動過程可根據(jù)實際工況進行調整，以滿足各種工況的需求。低速可過載輸出，滿足起動需要，取代盤車系統(tǒng)。
(4）無減速器，維護成本更低,維護次數(shù)少
系統(tǒng)各構成單元均需要時常檢查和定期維護，傳統(tǒng)系統(tǒng)構成單元多。同時立磨減速器結構復雜需要經(jīng)常維護，維護成本費用高。同時系統(tǒng)無法實現(xiàn)在低速運行的情況下進行系統(tǒng)維護。直驅系統(tǒng)構成單元簡單，變頻器控制永磁同步電機直接驅動，控制方便。系統(tǒng)內無減速器，無需額外進行維護，系統(tǒng)維護成本低。同時，系統(tǒng)可實現(xiàn)在電機低速運行情況下進行系統(tǒng)維護。
(5）傳動效率高,節(jié)能效果明顯
綜上采用直驅永磁電機取代傳統(tǒng)驅動系統(tǒng)年節(jié)電量達181萬元。（按照5000h,0.6元/kWh）立式鯤磨機直驅系統(tǒng)的優(yōu)勢與球磨機直驅系統(tǒng)相同，這里不再一—贅述。
2、永磁直驅立磨結構示意圖
本新型立磨結構采用永磁直驅電機驅動,提高了立磨效率。在立磨扶正軸承與壓力軸承上進行突破，通過設計一種雙向載荷扇形模塊機構替代大直徑軸承，方便加工、生產、運輸、裝配、維修，并降低成本,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，分別設計了三種立磨專用永磁電機，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的減速機與三相異步電動機，永磁直驅電機具有雙向載荷機構與不同的放置位置，均能達到扶正與承壓的作用，并且方便制造、裝配維護，節(jié)省成本。均已申請專 利。
永磁直驅礦用球磨機 
