球磨機改造用高效節能永磁電機
研究報告
報告單位：瀋陽工業大學、電機及其控制技術研究所
大連鈺霖電機有限責任公司
報告時間：2023年6月30日
目錄1 專案背景 2
2 低速大轉矩永磁電機的節能原理 4
3 改造方案 7
3.1 系統改造思路示意 7
3.2 優勢分析 10
4 球磨機用永磁電機節能分析 11
5 總結 12
附件1 我國高效永磁同步電機應用現狀 13
《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020）》中，「
三、重點領域及其優先主題：5.製造業：
（26）基礎件和通用部件；和1.能源：（1）工業節能」兩個主題提出。
電機及其控制系統是各種機械裝備中最關鍵的部件，對機械裝備的效率、效能、成本、可靠性以及壽命等都有著舉足輕重的作用。世界經濟發展步伐的加快，增加了人們對能源的需求，能源問題已經成為影響各國經濟發展速度的戰略性問題。本著我國「開發與節約並舉、節約優先」的節能方針，我們要充分認識到加強節能工作的重要性和緊迫性。
圖1 選礦廠球磨機現場工作**
電能是最主要的二次能源，也是最重要的節能物件。據統計，「2023年我國各類電動機**機容量約為4.2億千瓦，其中非同步電動機的裝機容量超過全國電動機**機容量的85%，年耗電億萬千瓦時以上，約佔全國用電量的60%，執行效率比國外先進水平低10-20個百分點，相當於每年浪費電能約1500億千瓦時。
2023年我國電動機年產量約為4500萬千瓦，平均效率比發達國家低2-3個百分點。電動機拖動系統效率比發達國家低10-30個百分點，相當於國際20世紀
七、八十年代的水平。」從上述資料可以看出：一方面，我國目前電能浪費問題仍然嚴重，很大程度上歸因於佔主體地位的工業用自電動機的綜合執行效能較差，電機效率不高；另一方面，也表明我國的電機發展仍有很大的潛力空間。
因此，節能既是電機行業面臨的嚴峻課題，也是電機行業發展的新機遇。
球磨機是選礦廠、加氣混凝土原料製備中最重要的裝置，他用於鐵礦石、石灰、石膏、砂、礦渣等物料的粉磨。物料只有經過粉磨並到要求細度後才能進行充分混合相互作用，才能使製品達到強度，粉磨是加氣混凝土生產中的重要程式，粉磨過程耗電量大，球磨機一般是選礦廠或加氣混凝土工廠中電機容量最大的裝置。球磨機由給料部、出料部、迴轉部、傳動部（減速機，小傳動齒輪，電機，電控）等主要部分組成（如圖1所示）。
其中傳動部是電能損耗的主要的環節，也是節能增效的關鍵環節。
低速大轉矩傳動系統一般是指轉速低於500 r/min，額定輸出轉矩大於500n.m的傳動系統。這樣的傳動系統在許多任務業傳動領域中是常見的，球磨機傳動系統，是典型的低速大轉矩系統。
除球磨機系統外，還包括電梯驅動系統、重型工具機、礦山機械、石油機械以及建築機械等。在這些要求低速傳動的系統中，目前主要採用傳統的非同步機－減速機的驅動模式。這種驅動模式的缺點主要體現在：
一方面，由於減速機齒輪等機械原因降低了系統的整體傳動效率；另一方面，由於減速機的存在使傳動系統的整體體積較大，或者說系統的傳輸功率密度較低。顯然，傳統的驅動模式己無法適應現代驅動的要求，存在著諸多理論和技術問題有待解決。
眾所周知，永磁電動機採用永磁體勵磁，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數，減小了定子電流和定子電阻損耗；而且在穩定執行時沒有轉子電阻損耗，進而可以因總損耗降低而減小風扇（小容量電機甚至可以去掉風扇）和相應的風摩耗，從而使其效率和功率因數比同規格感應電動機高。而且在輕載時仍可保持較高的效率和功率因數，使輕載執行時節能效果更為顯著。因此，永磁電動機較容易做到高效率，即達到ie2級的效率值。
如果進一步優化設計，採用高效能矽鋼片和先進工藝，在降低乙個機座號或者縮短鐵心的情況下，可以達到超高效，即ie3級的效率值；在不降低機座號或適當增加鐵心的情況下，部分規格有可能達到超超高效，即ie4級的效率值。同時，永磁電機可以實現低速大轉矩直驅執行，這是非同步機和直流機無法實現，這種特性使得永磁電機在低速大轉矩的傳動系統應用前景非常廣泛。
永磁同步電動機與感應電動機相比，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數，減少了定子電流和定子損耗，而且在穩定執行時沒有轉子電阻損耗，進而可以因總損耗降低而減少風扇和相應的風摩損耗，從而使其效率比同規格感應電動機可提高10～15個百分點。而且，永磁同步電動機在25％～120％額定負載範圍內均可保持較高的效率和功率因數，使輕載執行時節能效果更為顯著。
圖2 泥漿幫浦用600kw低速大轉矩永磁同步電動機
低速大轉矩永磁電機，實現低速直驅並高效率執行需解決如下關鍵技術。電機在低速執行時，其氣隙磁場的低次空間諧波和電樞繞組的低次電流時間諧波相互作用，會使電機的轉矩產生脈振，這種低頻脈振要在較長的變加速起停過渡過程中實現平穩傳動，顯然是難以勝任的；同時，因為取消了機械減速機，會使機械系統的任何擾動都直接作用在電機的軸上，同樣會給系統的動態穩定性增加控制難度；由於，當代國際先進的電力電子變頻調速技術，均採用正弦波脈寬調變（spwm）式的輸出電壓波形，這種波形的輸出幾乎是乙個理想的正弦波，這就要求電機電樞繞組的內電勢波應與之適應，才能使電樞電流也為正弦波，消除由於電樞電流諧波引起的轉矩脈振問題。
從電磁感應定律可知，要使電機內電勢波形正弦，其實就是如何使產生內電勢的磁場波形正弦化的問題。從電機的基本理論可知，影響磁場波形的因素除電機設計的共同問題外，對於永磁同步電動機（pmsm）可主要可歸納為轉子永磁體結構形式的選取；主磁極極弧係數的選擇；電樞繞組的排布方式和定子齒諧波影響的消除等四個方面。
【1】轉子永磁體結構形式的選取
從spwm電源與pmsm匹配執行所組成的低速大扭矩驅動系統最優化觀點出發，為保證驅動系統有足夠的線性調節範圍，spwm變頻器額定輸出頻率應盡可能高（一般取25hz以上）；為降低變頻器的成本和損耗，要求變頻器的額定輸出電流要盡可能小。因此，電機在設計上要採用圖3的切向磁極結構，每極激勵面積是相鄰兩個永磁體槽深方向面積之和。可以克服徑向結構在多極時的每極激勵面積不足的缺點，方便地根據需要通過調整永磁體槽深來選擇激勵面積的大小。
圖3 pmsm轉子切向結構磁極的基本形式
【2】主磁極極弧係數的選擇
在同步電機的設計中，極弧係數的選取對電機電樞繞組內電勢波形以及電機出力大小有著重要的影響。在低速大扭矩驅動系統中，採用pmsm的優點之一是可以通過選擇適當的極弧係數來消除某次諧波對電樞繞組內電勢波形的影響。若通過適當地調整漏磁的大小和選擇合適的極弧係數，使氣隙磁密的波形呈準梯形波分布。
【3】電樞繞組的排布方式
在一般的交流電機設計中，可以通過電機定子繞組的分布和短距來消除諧波。但在採用了多極的低速中小型電機中，已經不可能有足夠的電樞繞組槽，來供分布使用。採用整距集中繞組顯然對電樞繞組內電勢波形正弦化不利。
因此，採用分數槽繞組幾乎是惟一的選擇。根據電機設計基本理論，分數槽繞組不但可以有效地消弱電樞繞組內電勢中的高次諧波，而且對於低次的齒諧波同樣有消除作用。從提高繞組利用係數和消除主要低次諧波的觀點出發，分數槽繞組的實際線圈跨距應該採用（1）式取整短距的方法確定。
1）式中：q——電樞繞組的槽數；p——電機極對數。
【4】齒諧波影響的消除
在低速大扭矩驅動系統中，氣隙齒諧波磁場對低頻轉矩脈動的影響顯得尤為突出，必須盡量消除。在非同步電動機中，通常採用轉子斜槽的方法來消除齒諧波的影響。因此，只有採用定子斜槽的工藝。
理論分析表明，斜乙個定子槽就可以消除齒諧波。但考慮到pmsm的極弧係數一般較非同步電動機的小，磁極的邊緣效應也要比非同步電動機的強，所以理想的斜槽數應該是
2）式中：——定子槽兩端沿氣隙圓周扭轉的弧長；——定子槽沿氣隙圓周的槽距弧長； q——電樞繞組每極每相槽數。
本次改造主要採用永磁電機直接驅動球磨機的小齒輪工作，這樣可大大提高工作效率和執行成本，永磁電機可實現真正意義上的免維護。
由於，永磁電機起動後採用工頻電源供電即可實現穩定執行，所以為了降低改造成本，本次改造建議採用一台變頻器拖動多台（據實際情況確定數量）電機起動。電機起動後將電機的端子引到電網上，在電網供電情況下，電機也可高效執行，詳見圖6。
【1】 改造前球磨機系統示意圖
選礦廠現有球磨機系統採用非同步電機—減速機—小齒輪—大齒輪的模式驅動迴轉部（如圖4所示），由於非同步機和減速機的效率非常低（分別為86%和88%左右，這個環節的效率為75%左右），並且存在著維護頻繁、漏油等系列問題，嚴重影響選礦廠的生產成本與效益。
圖4 現選礦廠球磨機系統示意圖
【2】 改造後球磨機系統示意圖
如圖5所示，為了提高傳動環節的效率，本次改造方案，預採用低速大轉矩永磁同步電動機（效率90%，較前者提高15%）直接驅動小齒輪，帶動大齒輪轉動。為了不影響生產週期，本次改造方案採用即換即用的原則，保證選礦廠的生產效益不受影響，圖6為低速大轉矩永磁電機示意圖。
圖5 新型永磁同步電動機球磨機系統示意圖
圖6 低速大轉矩永磁電機示意圖
【3】 供電系統示意圖
圖 7 控制系統採用一拖多的方式工作
如圖7所示，改造後供電系統採用一拖多的方式，即可根據場區情況，可由一台或兩台變頻器或驅動多台電機起動。
表1 新型永磁電機球磨機與常規球磨機主要效能比較。
【1】非同步電機-減速機的主要缺點表現在：
● 系統整體傳動效率低。
● 系統的功率因數差。
● 整機占地面積大。
● 調整維護困難。
● 振動和雜訊嚴重。
【2】新型永磁電機球磨機的主要效能優勢：
● 大幅度地提高球磨機傳動系統的力能指標
圖8 非同步機效率、功率因數與負載率關係圖9 永磁電機效率、功率因數與負載率關係
非同步電動機需要電源提供滯後的無功來建立機電能量轉換所必須的磁場。因此，其效率和功率因數與電機的負載率直接相關，如圖5所示。在各種機械裝備中，電機的額定功率都是按照滿足裝備極限能力需要而選定的。
而在實際的執行中，大部分機械裝備的負載率都是在70%以下，其中礦山、石油等行業機械裝備常年負載率在50%以下。從圖8可見，當非同步電動機負載率低於50%時，其效率和功率因數都下降十分顯著。
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