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产品分类(lèi)
分类:永磁(cí)直驱矿用球磨机 ——
1、技术背景
传统的球磨机、立磨(mó)机大都采用三相异步电动机、联(lián)轴器、减速装置以及齿轮结构进行驱动,导致球磨机的传动系统存在机械传动链冗长、效率低(dī)、机构复杂、运行维护工作量大等(děng)问题。
沈阳工业大学电机与控制技术研究(jiū)所与河南全新机电设备有限公司联合设计研(yán)发的球磨(mó)机、立磨机采(cǎi)用永(yǒng)磁直驱电机,通过将(jiāng)电动机(jī)与机(jī)械结构进行机电一体化设计(jì),取消动力传输的中间环节,做成直驱方案,能直接满足荷载的需(xū)求,省去传统磨机的减速机,显著提高了电(diàn)机的效率与功率因(yīn)数,具有节能(néng)、起动转矩大、过载能力强、系统(tǒng)免(miǎn)维护、自动化程度高等优点。
在控制方(fāng)面,本产(chǎn)品电机定子采用了模块化设计,不仅降低了加工、制造、运输等难度,还相当于把(bǎ)一个大功率电机做成了多个小功率电机。模块化电机的(de)控制技术可以实现降低大功率(lǜ)电机的输入电压,但(dàn)是不增加电机的输入电流,电机(jī)不必采用高等级绝缘。模块化电(diàn)机采用多台小功率变频(pín)器联合(hé)供电,这样设(shè)计降低了(le)电机的(de)供电电压和使用的变频器容量,从而降低成(chéng)本。每个模块电机都具有一套独立的(de)控制系统,大大提升了电机控制的(de)自由度,球磨机运行在轻载工况时,完全可以只运行(háng)部分模块电机(jī)驱动球磨(mó)机(jī)。
在结构方面(miàn),本产品电机的定子采用了一种自主设计研发的随动式(shì)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(tōng)过机械结构设计,确定了一种无(wú)论球磨机转筒是否震动或偏心,定(dìng)子块始终跟随转筒运动从而保持定子与转子间隙恒定的结构。本产(chǎn)品通过机械结(jié)构设计保证定子与转子间的间隙恒定,电机(jī)不会发生扫膛现象,因此电机的气隙可以设计的比普通(tōng)永磁直驱(qū)电机的小很多,从而(ér)大幅降(jiàng)低电机永磁(cí)体用量,降低生(shēng)产(chǎn)成本,节约稀土资源,节能(néng)用电量。当模块发生故障时,直(zhí)接拆卸故障电机,更换新的模块电机即可正常运行。使用本产品完全不会因电机发生故障而影响(xiǎng)到生产工期。
2、球磨机专用随动式永磁直(zhí)驱电机概述
本产(chǎn)品的随动式定子结构构成一种“小车结构”,滚筒就像公路(lù),定子块就(jiù)像汽车。滚(gǔn)轮贴合滚筒(tǒng)旋转(zhuǎn)相当于汽车在公路行驶,公路的起伏不影(yǐng)响车轮与地面贴合,即滚筒偏心浮动不影响(xiǎng)滚轮贴(tiē)合滚筒,保证定子、转(zhuǎn)子间隙恒定,在(zài)球磨机因装配误差、轴(zhóu)承磨损、滚筒形变、重载(zǎi)震动等(děng)原因造成电机偏心、气隙不均匀时,仍能正常运(yùn)转,保证磨机始终运行在性能状态,不必停机检修(xiū)。同时电机定子(zǐ)与转子间的间隙也可以做的更小,减少永(yǒng)磁体用(yòng)量,并且因(yīn)为随(suí)动式结构,电(diàn)机不会发生扫膛(táng)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(jī),采用独立的扇形定子块(kuài)结构,其随动原理是在定子(zǐ)块的轴向两侧安装滚轮且滚(gǔn)轮(lún)贴合滚(gǔn)筒来确定(dìng)定子与转子(zǐ)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(bú)偏心时处于半压缩状态,如果球磨机滚筒(tǒng)向上波动,转(zhuǎn)筒会向上顶定子块上安装的滚轮,进而带动(dòng)定子块向上移动,上方弹性(xìng)机构(gòu)继续压缩;下方定子块在受到永磁体对其向上的(de)吸引力的同时(shí),定子块上的弹性机构将其向上顶,保证下方(fāng)定子块的滚轮依然贴合转筒外表面,使定子块跟(gēn)随(suí)转筒波动而进行径向与圆周方向的移动,从而(ér)保证(zhèng)定子、转子之间的间隙(xì)不变。球磨机滚筒向下复位或继续向下波动,则上方定子块在受到永磁体对其向下的吸引力(lì)的同时,弹性机构将上方其向下压,下方定子块被转筒向下压。
本产品弹性(xìng)装置的压力大小可调,对于不同位置的定子块设置不同的压力,避免因(yīn)弹性(xìng)装置设置的压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(gōng)率的电机设计采用不同个数的随动式定子(zǐ)块构(gòu)成一台模块电机(jī),一台整圆电机由多台模块电机构成,多台模(mó)块电机共(gòng)用同一个转子,模块电机包绕式安装在球磨机滚筒上。相邻随动式定子(zǐ)块间设有固定(dìng)在支撑(chēng)框架上的挡板来对定子块进行圆周方向的限位。球磨机滚筒的法(fǎ)兰处衔接T型支撑板(bǎn),用于支撑安装电机转子铁心及磁钢。
本产品的随动式定子块安装拆卸十分便捷,只需要沿球磨(mó)机的径向依(yī)次拆卸密封外(wài)壳(ké)、弹性机构、弹性机构与定子块之间的连接杆、弹性机构支撑架,即可将定子块(kuài)沿径(jìng)向拉出,进行(háng)检修或更换新的定子块(kuài)。
3、采用本产品代替(tì)传统磨机的电机驱动系统的优(yōu)点(diǎn)
现阶段大多数的球磨机仍采用三相感应电动机、联轴器、减速装置以及齿轮(lún)结构进行驱动。永磁同步电机与感应电机相比(bǐ)优势是它有较高的效率(lǜ)和功(gōng)率因数,损耗大(dà)大降低,节约了能源。永磁电(diàn)机通过变频器进行调速,电机运行平稳(wěn),系统响应速度快,感应电机则起动相对(duì)困难。这些也是近年来永(yǒng)磁电机应用越来越广泛的(de)原因(yīn)。
采用永磁直驱(qū),取消了中间的减速机、联(lián)轴器、及齿(chǐ)轮的传动环节,缩短系统的传动链,直驱系统的传动效率(lǜ)将提升至少20%。球(qiú)磨机直驱系统的传动效率不仅得到大幅(fú)提升,而且直驱系统(tǒng)的故障率低,维护检修方便,还避免了传(chuán)统设备因漏油造成(chéng)环境污染。
由于(yú)本产品(pǐn)电机定子采用了模块化设计(jì),不仅降低(dī)了加(jiā)工,制造,运输等难度,还相当于把一个大功率电机做成了多个小功率电机。模块化电机的控制技术可以实现降低大功率电机的输入电压,但是不增加(jiā)电机(jī)的输入电流,电机不必采用高等级(jí)绝缘,模块化电机采用多台小功率变频器联合供电。这样设计降(jiàng)低了电机的供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(wán)全可以只运(yùn)行部分模块电机驱(qū)动球磨机。
传统电机故障时,会(huì)导致电机合成磁(cí)动势(shì)发生畸变,谐(xié)波含(hán)量增加,平均转矩(jǔ)下降,转矩波(bō)动显著增加,无法继续正常运(yùn)行。而本产品进行了模(mó)块化设计,每个模块电机都具有一套独立的控制系统,大大提升了电机控制的自由度,可以(yǐ)利用其多(duō)电(diàn)机结构和控制灵活(huó)的优势,在发生故障(zhàng)时。可以直接拆卸故障电机更换(huàn)新的模块电机即可正常(cháng)运行。模(mó)块化电机具有冗余的模块(kuài)数,也可切除故障子模(mó)块而控制其(qí)余正常子模块降(jiàng)额运行。使用本产品完(wán)全不会因电机发生故障而影响到生产(chǎn)工期。
球磨机因(yīn)加工误差、轴承磨损(sǔn)、滚筒形变或(huò)重载(zǎi)产生震动等因素会发生转子偏心现象,偏心严重(chóng)时还会造成电机扫膛损坏电机,实际生产中常常通过(guò)增加气隙大小来预(yù)防扫膛,而气隙增大会导致永磁体用量增加,提(tí)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(de)间隙恒定,可将(jiāng)气隙做的更小,减少永磁体用(yòng)量,电机不会发生扫膛现象,同时因为该随动式定子(zǐ)结构在偏心时能继续正常(cháng)工作,检(jiǎn)修次(cì)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率。
4、随动式球磨机装配示意图
二、永磁直驱立磨技术
1、立磨直驱对比于传(chuán)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(yī),工况适应能力差。遇到突发事件,调整磨鞮高度来改变系统(tǒng)工作(zuò)环(huán)境,系统反应(yīng)速度慢。永磁同步电机采用变频调速,适应工况能力(lì)强。遇到突(tū)发事件,除调(diào)整磨辗高度外,还增加了速度调节以快速适应系统工作环境,系统反应速度更快(kuài)。
(2)系统(tǒng)简单,可靠性高
传统系统因三相感应电机无法在低速实(shí)现大转矩输出,需要额外的盘车(chē)系(xì)统满足立(lì)磨(mó)的低速起动。为保证在电机起动过程不(bú)对(duì)电网造成过大的冲击,需增加软起动装置。三相感应电机起动后,通过减速器满足系统转矩需要,整个系统构成复杂,系统运行(háng)的辅助设备很(hěn)多。直驱系统由(yóu)变频控制系统控(kòng)制永磁同步电机起动,转矩特性(xìng)满足需要,无需盘车系统和减(jiǎn)速器,辅助系统少,结构简单。
(3)变频器软起动,起(qǐ)动过程随意设定
传统系(xì)统先由(yóu)低速盘车(chē)系统(tǒng)起动,待三相(xiàng)感应电机达到起动条件后,软(ruǎn)起动装置起动三相感应电机,系统运行。系统控制复杂,低速无法实(shí)现(xiàn)过(guò)载输出。在低速过程需(xū)要盘车系统,将转速(sù)提高到三相感应电机起动条(tiáo)件(jiàn)。直驱系统直接(jiē)变频低速起动,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(jì)工(gōng)况进行(háng)调(diào)整,以满足各种工(gōng)况的(de)需求。低速可过载输出,满足起动需要,取代盘车系统。
(4)无减速器,维护成(chéng)本更低(dī),维护次数少
系统各构成单元均需要时(shí)常检查和定期维护,传(chuán)统系统构成单元(yuán)多。同时立磨减速(sù)器结构复杂(zá)需要经常维护,维护成本(běn)费用高(gāo)。同时系统无法实现在低速运行的情(qíng)况下进行系统维护。直驱系统构成单元简单,变频器控制永磁同步电机直接(jiē)驱动,控制方便。系统内无(wú)减速器,无需额外进行维护,系统维(wéi)护成本低。同时,系统可实现在电机低速(sù)运行情况(kuàng)下进行系统(tǒng)维护。
(5)传动效率高,节能(néng)效果明显
综上采用直(zhí)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(kūn)磨机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。
2、永磁直驱立磨结构示意图(tú)
本新型立磨结构采用永(yǒng)磁直驱电机驱(qū)动,提高了立磨效率。在立磨扶正轴承与压力轴承上进行突破,通过设(shè)计一种双向载荷扇形模块机构替代大直径轴承(chéng),方便加工、生产、运输、装配、维修,并降低成本(běn),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(bié)设计了三种立磨专用永磁电机,代替(tì)传统的减速机与三相异步(bù)电动机,永磁直驱电机具有双向载荷机构与不同的放置位置,均能达到扶正(zhèng)与承压的(de)作(zuò)用(yòng),并且方便制造、装(zhuāng)配维护,节省成(chéng)本(běn)。均已申请专 利。
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