球磨机改造用高效节能永磁电机项目立项初步设计报告

未经允许，请勿外传，电控等主要部分组成如图所示。

其中传动部是电能损耗主要环节，也是节能增效关键环节。

低速大转矩传动系统般是指转速低于，额定输出转矩大于传动系统。

这样传动系统在许多工业传动领域中是常见，球磨机传动系统，是典型低速大转矩系统。

除球磨机系统外，还包括电梯驱动系统重型机床矿山机械石油机械以及建筑机械等。

在这些要求低速传动系统中，目前主要采用传统异步机减速机驱动模式。

这种驱动模式缺点主要体现在方面，由于减速机齿轮等机械原因降低了系统整体传动效率另方面，由于减速机存在使传动系统整体体积较大，或者说系统传输功率密度较低。

显然，传统驱动模式己无法适应现代驱动要求，存在着诸多理论和技术问题有待解决。

众所周知，永磁电动机采用永磁体励磁，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数，减小了定子电流和定子电阻损耗而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇小容量电机甚至可以去掉风扇和相应风摩耗，从而使其效率和功率因数比同规格感应电动机高。

而且在轻载时仍可保持较高效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。

因此，永磁电动机较容易做到高效率，即达到级效率值。

如果进步优化设计，采用高性能硅钢片和先进工艺，在降低个机座号或者缩短铁心情况下，可以达到超高效，即级效率值在不降低机座号或适当增加铁心情况下，部分规格有可能达到超超高效，即级效率值。

同时，永磁电机可以实现低速大转矩直驱运行，这是异步机和直流机无法实现，这种特性使得永磁电机在低速大转矩传动系统应用前景非常广泛。

低速大转矩永磁电机节能原理永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数，减少了定子电流和定子损耗，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减少风扇和相应风摩损耗，从而使其效率比同规格感应电动机可提高个百分点。

而且，永磁同步电动机在额定负载范围内均可保持较高效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。

低速大转矩永磁电机，实现低速直驱并高效率运行需解决如下关键技术。

电机在低速运行时，其气隙磁场低次空间谐波和电枢绕组低次电流时间谐波相互作用，会使电机转矩产生脉振，这种低频脉振要在较长变加速起停过渡过程中实现平稳传动，显然是难以胜任同时，因为取消了机械减速机，会使机械系统任何扰动都直接作用在电机轴上，同样会给系统动态稳定性增加控制难度由于，当代国际先进电力电子变频调速技术，均采用正弦波脉宽调制式输出电压波形，这种波形输出几乎是个理想正弦波，这就要求电机电枢绕组内电势波应与之适应，才能使电枢电流也为正弦波，消除由于电枢电流谐波引起转矩脉振问题。

从电磁感应定律可知，要使电机内电势波形正弦，其实就是如何使产生内电势磁场波形正弦化问题。

从电机基本理论可知，影响磁场波形因素除电机设计共同问题外，对于永磁同步电动机可主要可归纳为转子永磁体结构形式选取主磁极极弧系数选择电枢绕组排布方式和定子齿谐波影响消除等四个方面。

转子永磁体结构形式选取从电源与匹配运行所组成低速大扭矩驱动系统最优化观点出发，为保证驱动系统有足够线性调节范围，变频器额定输出频率应尽可能高般取以上为降低变频器成本和损耗，要求变频器额定输出电流要尽可能小。

因此，电机在设计上要采用图切向磁极结构，每极激励面积是相邻两个永磁体槽深方向面积之和。

可以克服径向结构在多极时每极激励面积不足缺点，方便地根据需要通过调整永磁体槽深来选择激励面积大小。

图转子切向结构磁极基本形式主磁极极弧系数选择在同步电机设计中，极弧系数选取对电机电枢绕组内电势波形以及电机出力大小有着重要影响。

在低速大扭矩驱动系统中，采用优点之是可以通过选择适当极弧系数来消除次谐波对电枢绕组内电势波形影响。

若通过适当地调整漏磁大小和选择合适极弧系数，使气隙磁密波形呈准梯形波分布。

电枢绕组排布方式在般交流电机设计中，可以通过电机定子绕组分布和短距来消除谐波。

但在采用了多极低速中小型电机中，已经不可能有足够电枢绕组槽，来供分布使用。

采用整距集中绕组显然对电枢绕组内电势波形正弦化不利。

因此，采用分数槽绕组几乎是惟选择。

根据电机设计基本理论，分数槽绕组不但可以有效地消弱电枢绕组内电势中高次谐波，而且对于低次齿谐波同样有消除作用。

从提高绕组利用系数和消除主要低次谐波观点出发，分数槽绕组实际线圈跨距应该采用式取整短距方法确定。

式中电枢绕组槽数电机极对数。

齿谐波影响消除在低速大扭矩驱动系统中，气隙齿谐波磁场对低频转矩脉动影响显得尤为突出，必须尽量消除。

在异步电动机中，通常采用转子斜槽方法来消除齿谐波影响。

因此，只有采用定子斜槽工艺。

理论分析表明，斜个定子槽就可以消除齿谐波。

但考虑到极弧系数般较异步电动机小，磁极边缘效应也要比异步电动机强，所以理想斜槽数应该是式中功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。

因此，永磁电动机较容易做到高效率，即达到级效率值。

如果进步优化设计，采用高性能硅钢片和先进工艺，在降低个机座号或者缩短铁心情况下，可以达到超高效，即级效率值在不降低机座号或适当增加铁心情况下，部分规格有可能达到超超高效，即级效率值。

同时，永磁电机可以实现低速大转矩直驱运行，这是异步机和直流机无法实现，这种特性使得永磁电机在低速大转矩传动系统应用前景非常广泛。

低速大转矩永磁电机节能原理永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数，减少了定子电流和定子损耗，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减少风扇和相应风摩损耗，从而使其效率比同规格感应电动机可提高个百分点。

而且，永磁同步电动机在额定负载范围内均可保持较高效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。

低速大转矩永磁电机，实现低速直驱并高效率运行需解决如下关键技术。

电机在低速运行时，其气隙磁场低次空间谐波和电枢绕组低次电流时间谐波相互作用，会使电机转矩产生脉振，这种低频脉振要在较长变加速起停过渡过程中实现平稳传动，显然是难以胜任同时，因为取消了机械减速机，会使机械系统任何扰动都直接作用在电机轴上，同样会给系统动态稳定性增加控制难度由于，当代国际先进电力电子变频调速技术，均采用正弦波脉宽调制式输出电压波形，这种波形输出几乎是个理想正弦波，这就要求电机电枢绕组内电势波应与之适应，才能使电枢电流也为正弦波，消除由于电枢电流谐波引起转矩脉振问题。

从电磁感应定律可知，要使电机内电势波形正弦，其实就是如何使产生内电势磁场波形正弦化问题。

从电机基本理论可知，影响磁场波形因素除电机设计共同问题外，对于永磁同步电动机可主要可归纳为转子永磁体结构形式选取主磁极极弧系数选择电枢绕组排布方式和定子齿谐波影响消除等四个方面。

转子永磁体结构形式选取从电源与匹配运行所组成低速大扭矩驱动系统最优化观点出发，为保证驱动系统有足够线性调节范围，变频器额定输出频率应尽可能高般取以上为降低变频器成本和永磁电动机铸铝转子高效永磁电动机铸铝转子极超超高效永磁电动机铜条转子表屏蔽泵用永磁同步电动机与感应电动机性能比较电机类型功率效率功率因数机座号感应电动机永磁电动机中型异步起动高效稀土永磁同步电动机图中型永磁电动机转子冲片图图极样机照片目前，中型异步起动高效永磁同步电动机主要用作驱动三机泵风机压缩机冷冻机和水泵，这类负载要求高效率高功率因数和高过载能力，同时要求运行稳定可靠。

中大型永磁同步电动机在效率提高技术上可以采用小型高效高过载能力永磁同步电动机技术措施，但制约中型高效稀土永磁同步电动机研发主要因素是工艺结构问题。

因为中型电机转子空间有限，在有限空间内既要放置足够永磁体来满足所需磁通，又要放置起动笼来满足异步起动能力，同时还要开定面积轴向通风孔，保证电机温升满足标准，因此会造成每个细节尺寸都很紧张，机械强度接近极限如图所示。

目前该类电机主要是在原有电机上进行改造，通过技术攻关，国家稀土永磁电机工程技术研究中心研发出极极极和极几种典型规格样机，图为极样机照片。

两种电机性能指标与原感应电动机相比如表所示。

节能效果明显，以为例，经北京首钢现场实测节电率为，年可节电万，如果是全新设计，效率还能提高。

表中型永磁同步电动机与感应电动机性能比较电机类型功率效率功率因数感应电动机永磁电动机感应电动机永磁电动机中型变频调速高效永磁同步电动机图极电机照片在风机泵类负载，还可以通过变频调速永磁电机来提高节电率和降低起动电流。

国家工程技术研究中心在十五期间，通过对变频调速电机关键技术研究，开发出和三种规格变频调速高效永磁同步电动机，在现场运行实测节电率都在以上。

图为电机照片。

项目背景国家中长期科学和技术发展规划纲要中，三重点领域及其优先主题制造业基础件和通用部件和能源工业节能两个主题提出。

电机及其控制系统是各种机械装备中最关键的部件，对机械装备的效率性能成本可靠性以及寿命等都有着举足轻重的作用。

世界经济发展步伐的加快，增加了人们对能源的需求，能源问题已经成为影响各国经济发展速度的型电机中，已经不可能有足够电枢绕组槽，来供分布使用。

采用整距集中绕组显然对电枢绕组内电势波形正弦化不利。

因此，采用速大转矩永磁电机示意图供电系统示意图图控制系统采用拖多方式工作如图所示，改造后供电系统采用拖多方式，即可根据场区情况，可由台或两台变频器或驱动多台电机起动。

优势分析表新型永磁电机球磨机与常规球磨机主要性能比较。

异步电机减速机主要缺点表现在系统整体传动效率低。

系统功率因数差。

整机占地面积大。

调整维护困难。

振动和噪声严重。

新型永磁电机球磨机主要性能优势大幅度地提球磨机传动系统力能指标图异步机效率功率因数与负载率关系图永磁电机效率功率因数与负载率关系异步电动机需要电源提供滞后无功来建立机电能量转换所必须磁场。

因此，其效率和功率因数与电机负载率直接相关，如图所示。

在各种机械装备中，电机额定功率都是按照满足装备极限能力需要而选定。

而在实际运行中，大部分机械装备负载率都是在以下，其中矿山石油等行业机械装名称永磁电机球磨机异步机减速机球磨机电机功率减速器无有起动器变频器拖多水电阻传动系统效率维护频率低或无高备常年负载率在以下