1、技術(shù)背景
傳統(tǒng)的球磨機(jī)、立磨機(jī)大都采用三相異步電動機(jī)、聯(lián)軸器、減速裝置以及齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動，導(dǎo)致球磨機(jī)的傳動系統(tǒng)存在機(jī)械傳動鏈冗長、效率低、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)工作量大等問題。
沈陽工業(yè)大學(xué)電機(jī)與控制技術(shù)研究所與河南全新機(jī)電設(shè)備有限公司聯(lián)合設(shè)計研發(fā)的球磨機(jī)、立磨機(jī)采用永磁直驅(qū)電機(jī),通過將電動機(jī)與機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)計，取消動力傳輸?shù)闹虚g環(huán)節(jié)，做成直驅(qū)方案，能直接滿足荷載的需求，省去傳統(tǒng)磨機(jī)的減速機(jī)，顯著提高了電機(jī)的效率與功率因數(shù)，具有節(jié)能、起動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)、系統(tǒng)免維護(hù)、自動化程度高等優(yōu)點。
在控制方面,本產(chǎn)品電機(jī)定子采用了模塊化設(shè)計，不僅降低了加工、制造、運(yùn)輸?shù)入y度，還相當(dāng)于把一個大功率電機(jī)做成了多個小功率電機(jī)。模塊化電機(jī)的控制技術(shù)可以實現(xiàn)降低大功率電機(jī)的輸入電壓，但是不增加電機(jī)的輸入電流，電機(jī)不必采用高等級絕緣。模塊化電機(jī)采用多臺小功率變頻器聯(lián)合供電，這樣設(shè)計降低了電機(jī)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(jī)都具有一套獨立的控制系統(tǒng)，大大提升了電機(jī)控制的自由度，球磨機(jī)運(yùn)行在輕載工況時，完全可以只運(yùn)行部分模塊電機(jī)驅(qū)動球磨機(jī)。
在結(jié)構(gòu)方面，本產(chǎn)品電機(jī)的定子采用了一種自主設(shè)計研發(fā)的隨動式結(jié)構(gòu)，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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定了一種無論球磨機(jī)轉(zhuǎn)筒是否震動或偏心，定子塊始終跟隨轉(zhuǎn)筒運(yùn)動從而保持定子與轉(zhuǎn)子間隙恒定的結(jié)構(gòu)。本產(chǎn)品通過機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計保證定子與轉(zhuǎn)子間的間隙恒定，電機(jī)不會發(fā)生掃膛現(xiàn)象，因此電機(jī)的氣隙可以設(shè)計的比普通永磁直驅(qū)電機(jī)的小很多，從而大幅降低電機(jī)永磁體用量，降低生產(chǎn)成本，節(jié)約稀土資源，節(jié)能用電量。當(dāng)模塊發(fā)生故障時，直接拆卸故障電機(jī)，更換新的模塊電機(jī)即可正常運(yùn)行。使用本產(chǎn)品完全不會因電機(jī)發(fā)生故障而影響到生產(chǎn)工期。
2、球磨機(jī)專用隨動式永磁直驅(qū)電機(jī)概述
本產(chǎn)品的隨動式定子結(jié)構(gòu)構(gòu)成一種“小車結(jié)構(gòu)”，滾筒就像公路，定子塊就像汽車。滾輪貼合滾筒旋轉(zhuǎn)相當(dāng)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(zhuǎn)子間隙恒定，在球磨機(jī)因裝配誤差、軸承磨損、滾筒形變、重載震動等原因造成電機(jī)偏心、氣隙不均勻時，仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證磨機(jī)始終運(yùn)行在性能狀態(tài)，不必停機(jī)檢修。同時電機(jī)定子與轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，電機(jī)不會發(fā)生掃膛現(xiàn)象。
本產(chǎn)品電機(jī)的定子為隨動式結(jié)構(gòu),基于模塊化永磁直驅(qū)電機(jī)，采用獨立的扇形定子塊結(jié)構(gòu)，其隨動原理是在定子塊的軸向兩側(cè)安裝滾輪且滾輪貼合滾筒來確定定子與轉(zhuǎn)子間的間隙，定子塊徑向外側(cè)設(shè)有與支撐框架相連的彈性機(jī)構(gòu)。彈性機(jī)構(gòu)在球磨機(jī)滾筒不偏心時處于半壓縮狀態(tài),如果球磨機(jī)滾筒向上波動，轉(zhuǎn)筒會向上頂定子塊上安裝的滾輪，進(jìn)而帶動定子塊向上移動，上方彈性機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)將其向上頂，保證下方定子塊的滾輪依然貼合轉(zhuǎn)筒外表面，使定子塊跟隨轉(zhuǎn)筒波動而進(jìn)行徑向與圓周方向的移動，從而保證定子、轉(zhuǎn)子之間的間隙不變。球磨機(jī)滾筒向下復(fù)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(jī)構(gòu)將上方其向下壓,下方定子塊被轉(zhuǎn)筒向下壓。
本產(chǎn)品彈性裝置的壓力大小可調(diào)，對于不同位置的定子塊設(shè)置不同的壓力,避免因彈性裝置設(shè)置的壓力過大造成滾輪或轉(zhuǎn)筒磨損較快。
本產(chǎn)品將永磁電機(jī)采用模塊化控制，根據(jù)不同功率的電機(jī)設(shè)計采用不同個數(shù)的隨動式定子塊構(gòu)成一臺模塊電機(jī)，一臺整圓電機(jī)由多臺模塊電機(jī)構(gòu)成,多臺模塊電機(jī)共用同一個轉(zhuǎn)子，模塊電機(jī)包繞式安裝在球磨機(jī)滾筒上。相鄰隨動式定子塊間設(shè)有固定在支撐框架上的擋板來對定子塊進(jìn)行圓周方向的限位。球磨機(jī)滾筒的法蘭處銜接T型支撐板,用于支撐安裝電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心及磁鋼。
本產(chǎn)品的隨動式定子塊安裝拆卸十分便捷，只需要沿球磨機(jī)的徑向依次拆卸密封外殼、彈性機(jī)構(gòu)、彈性機(jī)構(gòu)與定子塊之間的連接桿、彈性機(jī)構(gòu)支撐架，即可將定子塊沿徑向拉出，進(jìn)行檢修或更換新的定子塊。
3、采用本產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)磨機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點
現(xiàn)階段大多數(shù)的球磨機(jī)仍采用三相感應(yīng)電動機(jī)、聯(lián)軸器、減速裝置以及齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動。永磁同步電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)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(jī)通過變頻器進(jìn)行調(diào)速，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，感應(yīng)電機(jī)則起動相對困難。這些也是近年來永磁電機(jī)應(yīng)用越來越廣泛的原因。
采用永磁直驅(qū)，取消了中間的減速機(jī)、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(qū)系統(tǒng)的傳動效率將提升至少20%。球磨機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)的傳動效率不僅得到大幅提升，而且直驅(qū)系統(tǒng)的故障率低，維護(hù)檢修方便，還避免了傳統(tǒng)設(shè)備因漏油造成環(huán)境污染。
由于本產(chǎn)品電機(jī)定子采用了模塊化設(shè)計，不僅降低了加工，制造，運(yùn)輸?shù)入y度，還相當(dāng)于把一個大功率電機(jī)做成了多個小功率電機(jī)。模塊化電機(jī)的控制技術(shù)可以實現(xiàn)降低大功率電機(jī)的輸入電壓，但是不增加電機(jī)的輸入電流，電機(jī)不必采用高等級絕緣，模塊化電機(jī)采用多臺小功率變頻器聯(lián)合供電。這樣設(shè)計降低了電機(jī)的供電電壓和使用的變頻器容量，從而降低成本。球磨機(jī)運(yùn)行在輕載工況時,完全可以只運(yùn)行部分模塊電機(jī)驅(qū)動球磨機(jī)。
傳統(tǒng)電機(jī)故障時，會導(dǎo)致電機(jī)合成磁動勢發(fā)生畸變，諧波含量增加，平均轉(zhuǎn)矩下降，轉(zhuǎn)矩波動顯著增加，無法繼續(xù)正常運(yùn)行。而本產(chǎn)品進(jìn)行了模塊化設(shè)計，每個模塊電機(jī)都具有一套獨立的控制系統(tǒng)，大大提升了電機(jī)控制的自由度,可以利用其多電機(jī)結(jié)構(gòu)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(jī)更換新的模塊電機(jī)即可正常運(yùn)行。模塊化電機(jī)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(yùn)行。使用本產(chǎn)品完全不會因電機(jī)發(fā)生故障而影響到生產(chǎn)工期。
球磨機(jī)因加工誤差、軸承磨損、滾筒形變或重載產(chǎn)生震動等因素會發(fā)生轉(zhuǎn)子偏心現(xiàn)象，偏心嚴(yán)重時還會造成電機(jī)掃膛損壞電機(jī)，實際生產(chǎn)中常常通過增加氣隙大小來預(yù)防掃膛，而氣隙增大會導(dǎo)致永磁體用量增加，提高電機(jī)制造成本。隨動式定子結(jié)構(gòu)的模塊電機(jī)，能在轉(zhuǎn)筒偏心時保證定子與轉(zhuǎn)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(jī)不會發(fā)生掃膛現(xiàn)象，同時因為該隨動式定子結(jié)構(gòu)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(jī)檢修復(fù)雜，降低檢修次數(shù)就是提高生產(chǎn)效率。
4、隨動式球磨機(jī)裝配示意圖
二、永磁直驅(qū)立磨技術(shù)
1、立磨直驅(qū)對比于傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)的優(yōu)點( 1）變頻調(diào)速控制，實現(xiàn)負(fù)載工況多樣性
傳統(tǒng)立磨速度單一，工況適應(yīng)能力差。遇到突發(fā)事件，調(diào)整磨鞮高度來改變系統(tǒng)工作環(huán)境，系統(tǒng)反應(yīng)速度慢。永磁同步電機(jī)采用變頻調(diào)速，適應(yīng)工況能力強(qiáng)。遇到突發(fā)事件，除調(diào)整磨輾高度外，還增加了速度調(diào)節(jié)以快速適應(yīng)系統(tǒng)工作環(huán)境，系統(tǒng)反應(yīng)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(yīng)電機(jī)無法在低速實現(xiàn)大轉(zhuǎn)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(jī)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(yīng)電機(jī)起動后，通過減速器滿足系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩需要，整個系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，系統(tǒng)運(yùn)行的輔助設(shè)備很多。直驅(qū)系統(tǒng)由變頻控制系統(tǒng)控制永磁同步電機(jī)起動，轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單。
(3）變頻器軟起動，起動過程隨意設(shè)定
傳統(tǒng)系統(tǒng)先由低速盤車系統(tǒng)起動，待三相感應(yīng)電機(jī)達(dá)到起動條件后，軟起動裝置起動三相感應(yīng)電機(jī)，系統(tǒng)運(yùn)行。系統(tǒng)控制復(fù)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(zhuǎn)速提高到三相感應(yīng)電機(jī)起動條件。直驅(qū)系統(tǒng)直接變頻低速起動，系統(tǒng)直接運(yùn)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(jìn)行調(diào)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(hù)成本更低,維護(hù)次數(shù)少
系統(tǒng)各構(gòu)成單元均需要時常檢查和定期維護(hù)，傳統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成單元多。同時立磨減速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜需要經(jīng)常維護(hù)，維護(hù)成本費用高。同時系統(tǒng)無法實現(xiàn)在低速運(yùn)行的情況下進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。直驅(qū)系統(tǒng)構(gòu)成單元簡單，變頻器控制永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動，控制方便。系統(tǒng)內(nèi)無減速器，無需額外進(jìn)行維護(hù)，系統(tǒng)維護(hù)成本低。同時，系統(tǒng)可實現(xiàn)在電機(jī)低速運(yùn)行情況下進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。
(5）傳動效率高,節(jié)能效果明顯
綜上采用直驅(qū)永磁電機(jī)取代傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)年節(jié)電量達(dá)181萬元。（按照5000h,0.6元/kWh）立式鯤磨機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)的優(yōu)勢與球磨機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)相同，這里不再一—贅述。
2、永磁直驅(qū)立磨結(jié)構(gòu)示意圖
本新型立磨結(jié)構(gòu)采用永磁直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動,提高了立磨效率。在立磨扶正軸承與壓力軸承上進(jìn)行突破，通過設(shè)計一種雙向載荷扇形模塊機(jī)構(gòu)替代大直徑軸承，方便加工、生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝配、維修，并降低成本,在工程實際中具有很強(qiáng)的實用型。
針對大、中、小型不同尺寸的立磨，分別設(shè)計了三種立磨專用永磁電機(jī)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的減速機(jī)與三相異步電動機(jī)，永磁直驅(qū)電機(jī)具有雙向載荷機(jī)構(gòu)與不同的放置位置，均能達(dá)到扶正與承壓的作用，并且方便制造、裝配維護(hù)，節(jié)省成本。均已申請專 利。
永磁直驅(qū)礦用球磨機(jī) 
