永磁直驱滚筒在水泥带式输送机中的应用研究

　　近些年永磁传动技术得到了快速发展，永磁多级直驱技术出现，带来了传动系统传动链简化，实现了无齿化传动，直驱传动技术具有效率高、能耗低、占地空间少、启动扭矩大、运行电流低等诸多优点，系统免维护，调速性能优越，在许多场合开始逐步取代最常用的交流异步电机。近年在永磁直驱电机的基础上出现了永磁外转子直驱滚筒技术，该技术的出现迅速给带式输送机领域带来了一场变革。
　　自“十四五”碳达峰、碳中和 规划出台以来，已被写入政府工作报告中。中国将严控煤电项目，严控煤炭消费增长、‘十五五’时期逐步减少。此外，中国已决定接受《〈蒙特利尔议定书〉基加利修正案》，加强非二氧化碳温室气体管控，还将启动全国碳市场上线交易。
　　节能减排就是各行各业发展的关键，这个时候，各种节能环保产品的应用更加广泛，前景更加明朗。受益于节能减排、绿色环保等战略的拉动，其水泥行业成为未来几年市场潜力非常巨大。
　　随着水泥行业绿色矿山、智能化建设的不断要求，永磁直驱滚筒因其直接驱动负载，取消减速机、液力耦合器、联轴器、驱动滚筒、异步电机，使得传动链最简化，提高传动系统的可靠性得以实现。该已大量应用于煤矿、冶金、港口等行业带式输送机。本文重点介绍永磁直驱滚筒的工作原理及其在带式输送机的应用。
　　1、 永磁直驱滚筒的工作原理
　　永磁直驱滚筒俗称外转子电动机，主要包括永磁直驱滚筒、智能同步变频器及水冷装置等。它以磁场为媒介进行电能和机械能的能量转换，利用永磁体建立磁场，当永磁电动机的三相定子绕组通入频率为 f 的三相交流电后，将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。永磁直驱滚筒永磁体由稀土永磁材料钕铁硼制成，取代电励磁，无励磁损耗。转子无绕组，无转子铜耗、铁耗，高性能的钕铁硼稀土永磁材料具有很高的磁能积，它的剩余磁感应强度、矫顽力较大，用较少的钕铁硼永磁体便能产生足够的电机磁能积。将外转子表面作 为驱动滚筒表面，采用阻燃性、抗静电性材料进行包胶，直接与输送带接触，依靠摩擦阻力带动输送带运行。
　　2、 永磁直驱滚筒应用特点
　　针对皮带机驱动系统的技术升级，取消原驱动系统的电机，减速机，液力耦合器，联轴器。滚筒即是电机，电机即是滚筒。
　　①　结构简单，省去减速机、液力耦合器、联轴器等部件，极大地节省安装空间，转运站空间节约的20%-50%。
　　外形结构简单，把永磁同步电机直接做成滚筒，永磁滚筒轴固定不动，相当于电机的定子部分；滚筒筒面相当于电机的转子部分，取消了传统的电励磁，当通入对称三相交流电后，电机工作，即滚筒工作。
　　②　与原系统相比，减少75%的检修维护量和维护材料投入
　　驱动部结构简单，只有驱动器+滚筒的结构，改变了传统的电动机、耦合器+减速器、驱动滚筒三位一体的布置方式，减少了原系统85%的维护量、维护材料投入和检修维护中的安全隐患。
　　③　减少现有结构中由于基础沉降、设备磨损对设备轴中心对中的问题
　　工业智能滚筒的一体式设计，解决了系统传动中由于安装地点基础压力变化及设备长时间运行磨损，造成原系统轴对接配合错位，极大地提高了系统安装的可靠性，降低故障率。
　　④　极大的降低能耗，节约用电成本，平均能耗降低20%-30%
　　工业智能滚筒，本身就是一台永磁同步电机，主要有以下节能特性：
　　采用一体式结构（把电机直接做成滚筒），直接传动效率高，机械传动效率接近100%。
　　自身效率高。优化的磁路设计+钕铁硼永磁代替电励磁+高导磁硅钢片的应用。
　　运行效率高。25%-100%额定转速时，效率达到90%-97%，25%-100%负载时，JXS系列工业智能滚筒的效率基本不变。
　　功率因素高。随负载的变化，JXS系列工业智能滚筒的功率因素基本不变。
　　3、永磁直驱电动滚筒的实际应用
　　某水泥厂皮带永磁电动滚筒的应用分析：
　　采水泥厂强力皮带1800M，采用江苏嘉轩220KW型号JXS SG 220-3.15-800*1400(380) 永磁滚筒，正常运行440天，累计8800小时，其中空载运行140天，累计2800小时；重载运行300天，累计6000小时。
　　1）节电效果明显：
　　（1）恒负荷节电率22.8%
　　（2）吨料量节电率21.3%
　　（3）空载运行节电率32.6%
　　2）起动平稳，起动电流小、对电网冲击小；
　　3）运行噪音小、温度低；
　　经现场测试220KW永磁滚筒运行过程中噪音为59-61分贝； 现场检测220KW永磁滚筒重载运行温度57-62摄氏度。
　　4）占用空间小，基本免维护；
　　原系统设备多，占地面积大，转运站空间狭小，改造后检修巡检空间宽敞。运行期间仅每月对永磁直驱滚筒轴承少量补充润滑脂，无需其它维护，减少了检修维护工作量。
　　4、效益分析
　　强力皮带使用的220KW永磁直驱滚筒结果可得出节电率25.4%。
　　①、皮带机节电量350天×16小时×220KW×25.4%=31.2万度。按照每度电0.5元计算，每年节约的电费金额为31.2×0.5=15.6万元。
　　②、还可以节约大量的设备维护费用，如齿轮箱、联轴器、设备机架、油液等
　　5、结论
　　永磁直驱滚筒在水泥行业里面带式输送机中的使用，从短期利益看，节约了施工、安装成本，确保了作业安全;从长期利益看，节约能源，设备使用及维护成本低，仅用三年的时间便可以将投资回收。特别是结合变频器的使用，实现带式输送机的软起、软停、软冲击，解决了带式输送机可能发生飞车、埋机头事故，永磁直驱滚筒在水泥行业将发挥着越来越重要的作用。
　

　　改造前

　　改造后

永磁直驱技术应用于选粉机

阚乃杰

　    1  概述
　　目前选粉机普遍采用变频异步电动机+齿轮箱驱动，该驱动方式的特点是：通过变频器调节电机的转速、轴功率来适应选粉机负载的变化要求。做到了系统节能，实现了软启动，控制方便。但随着永磁材料应用技术的发展，电力传动技术又有新的飞跃。
　　大功率低速永磁电动机的发明，使得电动机直接驱动负载，即取消齿轮箱，简化传动链，提高传动系统的可靠性得以实现。该系统在船舶动力、煤炭运输、矿井提升等设备上得到广泛应用，为动力传送技术带来革命性变革。
　　本文以200kW选粉机驱动系统为例，就此系统使用永磁变频电动机直接驱动技术进行可行性论述。（因参考资料有限，本文中引用数据实际数据可能有一定误差）
　　2  现有传动系统
　　1）组成：变频器+变频异步电动机+齿轮箱。
　　2）基本参数及维护费用
　　a）基本参数见表1。

表1 变频异步电动机和齿轮箱基本参数

　
    　b）维护费用（估算）见表2。

              表2 变频异步电动机和齿轮箱的维修费用

表3 永磁电动机的基本参数

　　b）维护费用见表4。
　　

                        表4 永磁电动机的维修费用

　　4 两种驱动方式对比分析
　　1）传动链对比——永磁直驱简化了传动链
　　永磁直驱方式取消了齿轮箱，省去了中间环节，简化了传动链。
　　2）可靠性对比——永磁直驱系统简化，无齿直联，可靠性得到大大提高。
　　3）占用空间及地基对比———相比而言，变频永磁直驱系统节省大量占地面积，空间利用率高。
　　4）环境友好性对比————变频永磁直驱系统无液体油，生产现场无环境污染隐患。
　　5）运行维护费用对比
　　a）运行费用对比：
　　按工作电流、年工作时间，永磁直驱方式效率可提高：
　　（1/92.7%-1×96%/95.7%)=7.56%
　　按工作系数0.9计算，节约功率 ：
　　200/92.7%×200×96%/95.7%×0.9=13.6（kW）
　　按每年工作300天，每天工作24h计算：
　　13.6×24×300=97,920(kW·h)
　　按每度电0.85元计算：
　　97,920×0.85=83,232（元）
　　即每台（套）每年节约电能97,920度，节省运行费用83,232元。
　　b）检修维护对比（估算）：
　　齿轮箱的运行维护成本，每年节约费用为：11,692元/年。
　　相应的运行维护工作、人员开资可全部节省。
　　6）效率、功率因数特性对比：
　　高效区宽，即轻负载运行时仍具很有高效率、功率因数，节能效果明显。具体对比见表5、图1、图2。

　                             
　　7）振动、噪声对比——永磁直驱系统振动更低、噪声更小。
　

                     表5 效率功率因数对比

　　5 系统改造可行性分析
　　1）永磁直驱电动机技术成熟并已得到广泛应用
　　永磁电动机的成熟性：永磁电动机与电励磁同步机电动机原理、结构相同，把电励磁系统改为永磁体励磁。自上世纪80年代第三代永磁体钕铁硼技术问世至今，在伺服电机系统使用率已达100%，小型电机中使用率达95%，工业电机中也已得到大量应用，如风力发电、船舶动力、石油化工、电梯、煤炭运输、矿井提升等。
　　2）使用永磁直驱系统能带来巨大的经济效益
　　替代后每台每年节约费用：
　　83,232+11,692 =9.5万元
　　3）安装条件分析
　　可根据现场情况，设计为立式安装，可有效利用空间排布，减少占地面积（见图3）。
　　变频异步电动机+齿轮箱布置方式                   变频永磁电动机布置方式

　　6  结论
　　1）永磁直驱的技术优势和缺点
　　a）优势：简化了传动链、提高系统可靠性、效率高、功率因数高、运行成本低、节约能源、无液油、免维护、振动低、噪声小。
　　b）缺点：和变频异步电动机单机比较重量大，体积大、与现有异步电动机安装尺寸不能通用。
　　2）替代方案具有很大的技术优势、经济优势。
　　7  应用现场