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1、球磨机改造用高效节能永磁电机可行性研究报告目 录1 项目背景22 低速大转矩永磁电机的节能原理43 改造方案73.1 系统改造思路示意73.2 优势分析104 球磨机用永磁电机节能分析115 总结12附件1 我国高效永磁同步电机应用现状131 项目背景国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020）中，“三、重点领域及其优先主题：5.制造业：（26）基础件和通用部件；和1.能源：（1）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
2、国经济发展速度的战略性问题。本着我国“开发与节约并举、节约优先”的节能方针，我们要充分认识到加强节能工作的重要性和紧迫性。图1 选矿厂球磨机现场工作照片电能是最主要的二次能源，也是最重要的节能对象。据统计，“2003年我国各类电动机总装机容量约为4.2亿千瓦，其中异步电动机的装机容量超过全国电动机总装机容量的85%，年耗电亿万千瓦时以上，约占全国用电量的60%，运行效率比国外先进水平低10-20个百分点，相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时。2003年我国电动机年产量约为4500万千瓦，平均效率比发达国家低2-3个百分点。电动机拖动系统效率比发达国家低10-30个百分点，相当于国际20世纪七、
3、八十年代的水平。”从上述数据可以看出：一方面，我国目前电能浪费问题仍然严重，很大程度上归因于占主体地位的工业用自电动机的综合运行性能较差，电机效率不高；另一方面，也表明我国的电机发展仍有很大的潜力空间。因此，节能既是电机行业面临的严峻课题，也是电机行业发展的新机遇。球磨机是选矿厂、加气混凝土原料制备中最重要的设备，他用于铁矿石、石灰、石膏、砂、矿渣等物料的粉磨。物料只有经过粉磨并到要求细度后才能进行充分混合相互作用，才能使制品达到强度，粉磨是加气混凝土生产中的重要程序，粉磨过程耗电量大，球磨机一般是选矿厂或加气混凝土工厂中电机容量最大的设备。球磨机由给料部、出料部、回转部、传动部（减速机，小传
4、动齿轮，电机，电控）等主要部分组成（如图1所示）。其中传动部是电能损耗的主要的环节，也是节能增效的关键环节。低速大转矩传动系统一般是指转速低于500 r/min，额定输出转矩大于500N.m的传动系统。这样的传动系统在许多工业传动领域中是常见的，球磨机传动系统，是典型的低速大转矩系统。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的系统中，目前主要采用传统的异步机减速机的驱动模式。这种驱动模式的缺点主要体现在：一方面，由于减速机齿轮等机械原因降低了系统的整体传动效率；另一方面，由于减速机的存在使传动系统的整体体积较大，或者说系统的传输功率密度
5、较低。显然，传统的驱动模式己无法适应现代驱动的要求，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）和相应的风摩耗，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的效率和功率因数，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IE2级的效率值。如果进一步优化设计，采用高性能硅钢片和先进工艺，在降低一个机座号或者缩短铁心的情况下，可以达到超高效，即IE3级的效率值；
6、在不降低机座号或适当增加铁心的情况下，部分规格有可能达到超超高效，即IE4级的效率值。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的传动系统应用前景非常广泛。2 低速大转矩永磁电机的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的风摩损耗，从而使其效率比同规格感应电动机可提高1015个百分点。而且，永磁同步电动机在25120额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。图2 泥浆
7、泵用600KW低速大转矩永磁同步电动机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，其气隙磁场的低次空间谐波和电枢绕组的低次电流时间谐波相互作用，会使电机的转矩产生脉振，这种低频脉振要在较长的变加速起停过渡过程中实现平稳传动，显然是难以胜任的；同时，因为取消了机械减速机，会使机械系统的任何扰动都直接作用在电机的轴上，同样会给系统的动态稳定性增加控制难度；由于，当代国际先进的电力电子变频调速技术，均采用正弦波脉宽调制（SPWM）式的输出电压波形，这种波形的输出几乎是一个理想的正弦波，这就要求电机电枢绕组的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
8、枢电流谐波引起的转矩脉振问题。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的磁场波形正弦化的问题。从电机的基本理论可知，影响磁场波形的因素除电机设计的共同问题外，对于永磁同步电动机（PMSM）可主要可归纳为转子永磁体结构形式的选取；主磁极极弧系数的选择；电枢绕组的排布方式和定子齿谐波影响的消除等四个方面。【1】转子永磁体结构形式的选取从SPWM电源与PMSM匹配运行所组成的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的线性调节范围，SPWM变频器额定输出频率应尽可能高（一般取25Hz以上）；为降低变频器的成本和损耗，要求变频器的额定输出电流要尽可能小。因此，电
9、机在设计上要采用图3的切向磁极结构，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的每极激励面积不足的缺点，方便地根据需要通过调整永磁体槽深来选择激励面积的大小。图3 PMSM转子切向结构磁极的基本形式【2】主磁极极弧系数的选择在同步电机的设计中，极弧系数的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的影响。在低速大扭矩驱动系统中，采用PMSM的优点之一是可以通过选择适当的极弧系数来消除某次谐波对电枢绕组内电势波形的影响。若通过适当地调整漏磁的大小和选择合适的极弧系数，使气隙磁密的波形呈准梯形波分布。 【3】电枢绕组的排布方式在一般的交流电机设计中，可以通过电机
10、定子绕组的分布和短距来消除谐波。但在采用了多极的低速中小型电机中，已经不可能有足够的电枢绕组槽，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一的选择。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的高次谐波，而且对于低次的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的观点出发，分数槽绕组的实际线圈跨距应该采用（1）式取整短距的方法确定。 （1）式中：Q电枢绕组的槽数；P电机极对数。【4】齿谐波影响的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的影响显得尤为突出，必须尽量消除。在异步电动机中，通常采用
11、转子斜槽的方法来消除齿谐波的影响。因此，只有采用定子斜槽的工艺。理论分析表明，斜一个定子槽就可以消除齿谐波。但考虑到PMSM的极弧系数一般较异步电动机的小，磁极的边缘效应也要比异步电动机的强，所以理想的斜槽数应该是 （2）式中：定子槽两端沿气隙圆周扭转的弧长；定子槽沿气隙圆周的槽距弧长； q电枢绕组每极每相槽数。3 改造方案3.1 系统改造思路示意本次改造主要采用永磁电机直接驱动球磨机的小齿轮工作，这样可大大提高工作效率和运行成本，永磁电机可实现真正意义上的免维护。由于，永磁电机起动后采用工频电源供电即可实现稳定运行，所以为了降低改造成本，本次改造建议采用一台变频器拖动多台（据实际情况确定数量
12、）电机起动。电机起动后将电机的端子引到电网上，在电网供电情况下，电机也可高效运行，详见图6。【1】 改造前球磨机系统示意图选矿厂现有球磨机系统采用异步电机减速机小齿轮大齿轮的模式驱动回转部（如图4所示），由于异步机和减速机的效率非常低（分别为86%和88%左右，这个环节的效率为75%左右），并且存在着维护频繁、漏油等系列问题，严重影响选矿厂的生产成本与效益。图4 现选矿厂球磨机系统示意图【2】 改造后球磨机系统示意图如图5所示，为了提高传动环节的效率，本次改造方案，预采用低速大转矩永磁同步电动机（效率90%，较前者提高15%）直接驱动小齿轮，带动大齿轮转动。为了不影响生产周期，本次改造方案采用
13、即换即用的原则，保证选矿厂的生产效益不受影响，图6为低速大转矩永磁电机示意图。图5 新型永磁同步电动机球磨机系统示意图图6 低速大转矩永磁电机示意图【3】 供电系统示意图图 7 控制系统采用一拖多的方式工作如图7所示，改造后供电系统采用一拖多的方式，即可根据场区情况，可由一台或两台变频器或驱动多台电机起动。3.2 优势分析表1 新型永磁电机球磨机与常规球磨机主要性能比较。名称永磁电机球磨机异步机-减速机球磨机电机功率（KW）300370减速器无有起动器变频器一拖多水电阻传动系统效率 90 0.95 0.7维护频率低或无高【1】异步电机-减速机的主要缺点表现在：l 系统整体传动效率低。l 系统的
14、功率因数差。l 整机占地面积大。l 调整维护困难。l 振动和噪声严重。【2】新型永磁电机球磨机的主要性能优势：l 大幅度地提高球磨机传动系统的力能指标图8 异步机效率、功率因数与负载率关系 图9 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的无功来建立机电能量转换所必须的磁场。因此，其效率和功率因数与电机的负载率直接相关，如图5所示。在各种机械装备中，电机的额定功率都是按照满足装备极限能力需要而选定的。而在实际的运行中，大部分机械装备的负载率都是在70%以下，其中矿山、石油等行业机械装备常年负载率在50%以下。从图8可见，当异步电动机负载率低于50%时，其效率和功率因数都下降
15、十分显著。待添加的隐藏文字内容3本项目所提出的稀土永磁同步电动机，其磁场由稀土永磁功能材料产生，因此其效率、功率因数与负载率的关系与异步电动机相比，具有明显的不同，如图9所示。这种近似与负载率无关的力能特性，特别适合机械装备的特点。因此，本项目成果推广应用，将大幅度地提高选矿厂球磨机电气传动的力能指标。l 可以实现机械装备的无齿轮传动在传统的球磨机传动系统中，由于异步电动机无法制成多极，为了满足负载的低速大转矩需要，一般采用异步电动机-齿轮减速机的方式实现。齿轮减速机的存在不仅增加了系统的制造成本，其自身的传动效率低、振动和噪声严重、润滑油渗漏污染、日常维护工作量大等弊端，都增加了机械装备的运
16、行成本。本项目提出的稀土永磁同步电动机，可以直接设计成低速大转矩，能够直接满足负载需要的速度和力矩的要求，从根本上克服了异步电动机-齿轮减速机传动系统存在的各种弊端。因此，改善球磨机的性能指标，提高抽油机的运行效率，从而更好地实现节能增效，改善电网的供电状况，对矿石加工行业的发展起着举足轻重的作用。 4 球磨机用永磁电机节能分析表2 节能分析表异步机减速机永磁电机功率370 kW300 kW效率86%*88%=75%90%损耗电量/天370*24*0.25=2220kWh300*24*0.1=720 kWh一台减少耗电/天(2220-720) =1500 kWh一台减少耗电/年1500*360
17、天=540,000 kWh改造后全厂减少耗电/年540,000 kWh *36台=1944万度折合标准煤1944*0.4kg/kWh=7776吨按本厂改造的机型，原异步电动机额定功率370kW，本电机的额定功率选为300kW，则每台球磨机每年可节约的电能54万度，全厂每年仅此项改造即可节约1944万度，折合标准煤7776吨（按发电效率为400克/度）。 可见，此改造项目具有巨大的经济效益和社会效益。5 总结根据国内外调查，工业领域电动机年平均运行时间约在3000h左右，但在矿山、石油、化工、造纸、冶金、电力等行业，电动机年运行时间往往超过6000h，对于这些运行时间长的场合，如采用高效、超高效
18、甚至超超高效永磁电动机将会对能源节约带来更显著的效果。据统计，2006和2007年全国共生产各种电动机2.5亿kW，其中中小型电动机年产量约占总产量的70%80%。中小型电动机耗电量占总发电量的50，加上大型电动机和微电机，耗电量达60%，是电力生产部门最大的用户。如果效率平均提高一个百分点，则将会节约电能1833万kW，按工业用电0.6元/度计算，则可节约电费1100万元左右，同时还可以减少663万kg炭排量。根据京都议定书，每吨炭排量可以销售到1518美元，中国和联合国正在北京筹建炭交易中心，预计2012年，中国炭排量定额占41%，也就是说超过41%，要花钱买炭排量，低于41%，可以卖出。
19、因此高效永磁同步电动机从国家政策导向和市场需求方面都有其它电机不可替代的优势，市场前景非常广阔。因此，大力发展与应用新型节能球磨机永磁电机，将使我国选矿经济效益进一步提高，成本大幅度降低。附件1 我国高效永磁同步电动机的研发与应用现状附件2 大连钰霖电机有限责任公司研制成功的永磁电机及应用现状附件3 泥浆泵直驱用永磁同步电动机、xxxx试验报告附件1 我国高效永磁同步电机应用现状国内许多高校、研究所和企业针对不同应用场合，先后开发出了多种高效、超高效和超超高效异步起动永磁同步电动机和变频调速永磁同步电动机产品。现摘要介绍几种典型产品。需要说明的是，这些产品是在IEC60034-30颁布之前研发
20、的，与IE3和IE4的效率值稍有出入，只要调整设计和优化，有可能达到所规定的标准。1 油田抽油机用高效高起动转矩永磁同步电动机目前，油田抽油机用感应电动机普遍存在“大马拉小车”现象，电能浪费严重。国内针对油田抽油机负载特性，在减小12个机座号的情况下开发出高效高起动转矩永磁同步电动机系列（图1），该系列电机不仅在额定负载时效率和功率因数高，而且在轻载（1/4额定负载）时仍具有用较高的效率和功率因数，在不同油田运行时节电率达20以上，表1为其中两种典型规格电机效率与感应电动机和IE3标准对比。 图1高效永磁电动机应用在油田抽油机上表1 高效永磁电动机与感应电动机和IE2标准对比电机规格电机类型效
21、率（）机座号/铁心长转子型式37kW6极高效永磁电动机93.5200L26/220mm铸铝转子感应电动机90.8250M6/225mm铸铝转子IE393.555kW6极高效永磁电动机93.8250M-6/225mm铸铝转子感应电动机92.0280S6/215mm铸铝转子IE394.22 化纤纺织用高效高牵入转矩永磁同步电动机化纤纺织用高效高牵入转矩永磁同步电动机属于异步起动永磁同步电动机。化纤纺织用电机稳定运行时负载并不很大，但是其负载的转动惯量却很大,这对电机的牵入同步能力提出了较高的要求。永磁同步电动机在起动过程中不但要求有足够的起动转矩，以克服负载转矩使电机起动并运行到接近同步转速，还要
22、求电机有足够高的牵入同步能力，使电机能够顺利牵入同步。这在设计上是相互制约的。而且永磁同步电机由于转子上要安放永磁体，转子槽不可能太深，使起动性能的改善更难；因此在相同负载情况下，化纤纺织用电机尺寸一般比普通电机大12个功率等级，使得电机在运行时也存在“大马拉小车”现象，电能浪费严重。国内经过多年研究，所开发的7.5kW4极、11kW4极、15kW4极和18.5kW4极在体积不增大的情况下能够达到超高效甚至超超高效性能指标（见表2和表3）。综合节电与普通感应电动机比高到23左右，与纺织专用电机比也在1015左右，节电效果非常明显。图2 15kW高效高牵入转矩永磁同步电动机在现场运行表2 超高效
23、高牵入转矩永磁同步电动机与IE3标准对比电机规格电机类型效率（）机座号/铁心长转子型式15kW4极超高效永磁电动机93.62160L4/180mm铸铝转子高效永磁电动机92.5160M4/155mm铸铝转子IE392.318.5kW4极超高效永磁电动机94.2160L-4/180mm铸铝转子高效永磁电动机93.0160M4/165mm铸铝转子IE392.7表3 超超高效高牵入同步能力永磁同步电动机与IE4标准对比电机规格电机类型效率（）机座号/铁心长转子型式15kW4极超超高效永磁电动机94.48160L4/180mm铜条转子超高效永磁同步电动机93.62160L4/180mm铸铝转子高效永磁
24、电动机92.5160M4/155mm铸铝转子IE494.17.5kW4极超超高效永磁电动机93.5132L-4/180mm铜条转子超高效永磁电动机92.6132S4/145mm铜条转子高效永磁电动机92.2132M-4/210mm铸铝转子IE493.03 高效高过载能力永磁同步电动机高效高过载能力永磁同步电动机主要是应用于风机、泵类负载。据电力部门估算，煤炭行业的风机、水泵五、六十年代的老设备约占1/3，其本身运行效率只有30%40%，系统运行效率大约为20%。由此造成的能源浪费是巨大的。因此针对风机、泵类负载特点，国内在十五期间，通过对该类电机的共性关键技术研究，解决了制约该类电机的技术难题
25、，所开发的11kW2极电机和18.5kW4极电机（见图3）都达到了IE4标准规定的效率值（见表4）。 图3 超超高效永磁同步电动机（11kW2极） 图4 屏蔽泵用永磁同步电动机（5.5kW4极）另一类特殊用途的高效高过载能力永磁同步电动机为屏蔽泵用永磁同步电动机，该类电机主要用于石油、化工、制冷、制药、核工业及许多新兴工业部门运送易燃、易爆、有毒、贵重、腐蚀性、放射性的各种介质。为保护电机的不受腐蚀，必须在定转子外面加密闭的屏蔽套，这就需要加大定转子之间的气隙。降低了电机的效率和功率因数，因此造成电能浪费严重。这种电机若改成永磁电机主要制约因素为：转子细长、转子空间有限；永磁体高温退磁问题。国
26、家稀土永磁电机工程技术研究中心通过技术攻关，解决了关键技术问题，研制出5.5kW4极和370W2极两种规格样机（见图4），该电机与同规格感应电动机相比数据如表5所示。表4 超超高效高过载能力永磁同步电动机与IE4指标对比电机规格电机类型效率（）机座号/铁心长转子型式18.5kW4极超超高效永磁电动机94.7160L4/165mm铜条转子超高效永磁电动机94.2160L-4/180mm铸铝转子高效永磁电动机93.0160M4/165mm铸铝转子IE494.411kW2极超超高效永磁电动机94.2132S-2/145mm铜条转子IE493.8表5 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
27、功率/kW效率/%功率因数机座号感应电动机5.570.00.76132永磁电动机5.589.30.9941124 中型异步起动高效稀土永磁同步电动机 图5 中型永磁电动机转子冲片图 图6 1120kW4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“三机一泵”（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的技术措施，但制约中型高效稀土永磁同步电动机研发的主要因素是工艺结构问题。因为中型电机转子空间有限，在有限的空间内既要放置足够的永磁体来满足所需的磁通，又
28、要放置起动笼来满足异步起动能力，同时还要开一定面积的轴向通风孔，保证电机的温升满足标准，因此会造成每个细节的尺寸都很紧张，机械强度接近极限（如图5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1120kW4极、300kW4极、260kW4极和310kW6极几种典型规格样机，图6为1120kW4极样机照片。两种电机性能指标与原感应电动机相比如表6所示。节能效果明显，以300kW为例，经北京首钢现场实测节电率为7.2，一年可节电16.6万kWh，如果是全新设计，效率还能提高。表6 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/kW效率/%功率因数感应电动机112087.40.88永磁电动机112096.40.95感应电动机30086.50.89永磁电动机30094.810.9665 中型变频调速高效永磁同步电动机 图7 300kW4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135kW、200kW和300kW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40以上。图7为300kW电机照片。
