永磁技术在铅锌选矿球磨系统中的应用

王锋军 郑睿 王峰

【关键词】高能耗老旧电机;永磁再造;柔性永磁耦合器;安装基础不变;节能环保;减震

【中图分类号】TP3 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）10-0070-03

0 引言

球磨机是陕西铅硐山矿业有限公司、陕西有色旺峪矿业有限公司铅锌选矿的重要设备之一，自20世纪90年代安装以来，运行稳定、原矿研磨细度良好。目前，球磨机机体结构稳固，还有较长的使用寿命，但驱动系统中电机属于老旧高能耗产品，已列入《高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录》，必须强制性淘汰;所配套的液力耦合器存在传递效率较低、发热量大、连续运行中出现因温度过高导致喷油嘴喷油、检修维护拆装困难等弊端。

本文详细介绍陕西铅硐山矿业有限公司对球磨机驱动系统进行永磁节能改造的过程，该系统由电机永磁再造（含变频电控）和永磁耦合器柔性连接（无铁芯永磁涡流传动技术）“双永磁系统”组成。该系统具有以下特点：①改造施工耗费时间短，不影响正常生产;现有设备基础无须改动，可以利用月检修时间实施。②达到现行国家一级能耗标准，实测节电12%。③具有过载保护和柔性启动功能且拆装、调试方便，能保护设备和缩短设备停机检修时间。

下面从电机永磁再造和永磁耦合器柔性连接两个方面分别进行论述。

1 电机永磁再造技术

与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电机特别是稀土永磁同步电机具有损耗少、效率高、节电效果明显的优点[1]。永磁电机与普通三相异步电动机相比具有较大的优势：不存在电励磁和相应的损耗，永磁转子不发热，功率密度高;高效率运行转速范围宽，节能效果显著，尤其在低转速运行时，节能优势更加明显;启动性能好，设计时可使转子绕组完全满足高启动转矩的要求，一般设定为2倍，甚至更大。

现有老旧设备改造中，新型永磁电机（包括其他高效能电机）机座和电机轴与原有老旧高能耗电机并不一致，如果直接购置成品电机，必须重新更改电机基础，施工周期需要15 d以上，整个生产线停工等待时间长，极大地影响了企业的生产进度和效益。陕西有色旺峪矿业有限公司技术改造人员结合高性能稀土永磁材料特性，利用原有老旧高能耗电机进行永磁化再造，再造后的三相永磁同步电机达到国家一级能效标准，从而达到节约用电、循环利用及缩短改造施工周期的目的。

1.1 永磁再造技术原理

普通Y系列三相异步电机转子植入永磁体，能彻底消除励磁电流，从而消除了转子损耗。当电机的三相定子绕组通入三相交流电后，将产生一个同步旋转磁场，此磁场与转子磁场相互作用，进而驱动电机转子旋转，降低了电机运转时的损耗。同时，转子不产生铁损耗和涡流损耗，降低了电机的自身损耗，高功率因数使得定子电流较小，定子绕组电阻损耗较小，能提高运行效率，达到节能、降耗目的。

1.2 高能耗电机永磁再造步骤

（1）根据公司现有在使用的电机工况进行节能技术评估，提出电机能效提升方案和进行电机改造投资效益分析。

（2）對适合再制造的旧电机进行工况技术性能分析，现场测试电机功耗、电流、功率因素等参数，获取电机负载运行轨迹、电机转矩等机械物理特性。

（3）对需要永磁化再造的三相异步电机进行基本性能分析，通过绝缘检测、动态性能检测后，确定定子线圈、轴承是否需要更新改进，转子进行永磁化再制造，使旧电机性能发生根本变化，电机能效、功率得到极大的提升，达到国家一级能效标准，从而使老旧高能耗电机重新焕发生机。

在电机永磁化再制造过程中，不需改变电机的外型和安装尺寸，机座号和转子外径保持不变，确保电机能效提升改造工程施工周期短，改造工作效率高，对公司生产的影响降至最低。

1.3 电机再造流程

电机再造流程如下：旧电机拆解;定子线圈更换高性能、高绝缘等级的线圈;转子加工制造：车小转子轴径→在适当位置开槽→植入永磁体→安装衬套;更换轴承;清洗外壳，浸油漆;组装成型，调试检测，验收合格出厂;安装运行、调试、使用。

1.4 再制造后达到的技术指标

（1）综合节电率达到12%。

（2）改造完后的节能电机与原型电机基座尺寸与轴距长短一致，安装方式相同，设备改造时间大幅缩短，由15 d缩短至0.5 d。

（3）功率因数可提高到96%以上。

（4）电机转速为750 r/min（同步转速），原转速为724 r/min），不随负载大小而改变，提高了生产效率和工艺水平。

（5）电机运行温度降低15 ℃。

再造后的95 kW电机调试检测表见表1;永磁电机性能测试图如图1所示;再造后的95 kW电机调试检测表见表2。

2 永磁耦合器柔性连接技术

球磨机配用液力耦合器连接电机和减速机，实现了柔性启动，减少了启动设备时的冲击[2]。在使用过程中发现液力耦合器存在下列不足：①液力偶合器发热量很大，传递效率较低，设备运行中液力耦合器发热程度达到易熔塞中合金熔化温度时，易熔合金熔化，油液在离心力作用下从小孔喷出，切断输入与输出的动力传动，保护过载，有污染环境的风险;②液力偶合器需要定期更换油品，维护且拆装困难，检修工作量大，工作人员劳动强度大，通常需要1个工作日的时间进行检修，运行费用较高;③液力耦合器对中要求苛刻，在对中超差的情况下运行，难免会对电机和减速机的轴系包括轴承和油封造成损伤，增大了系统的维护成本;④易发故障，危及系统的连续运行。

陕西有色旺峪矿业有限公司的技术改造人员利用电涡流效应和楞次定理，把一块导体放在变化着的磁场中或相对于磁场运动时，由于导体内部可以构成闭合回路，穿过回路的磁通会发生变化，因此在导体中会产生感应电流。只要电流在金属块中形成闭合回路，就可以称为涡流。感应电流的磁场总会阻碍引起感应电流的磁通量的变化。这样就可以将永磁耦合器分为2个互相独立、有3 mm左右间隙的核心部件：①永磁转子——构建源磁场;②导体转子（铜盘或铝盘）——产生感应磁场。导体转子/永磁转子分别与电机/负载同轴连接（安装位置可以互换）。当电机带动导体转子在源磁场中旋转，即切割磁力线，便在导体转子中感生出涡电流，该涡电流伴生出感应磁场。由于动态的源磁场与感应磁场相互作用，因此可拖动永磁转子随之转动，从而在电机与负载之间以非接触的方式实现动力传递。柔性永磁耦合器采用自然风冷或强制风冷，永磁转子和导体转子之间存在2%的滑差。

通过原有电机额定转矩（1 253 N·m）确定永磁耦合器折算扭矩参数，进而确定永磁转子磁通量、导体转子盘尺寸等一系列参数，目前柔性永磁耦合器已经系列化。

液力耦合和磁力耦合（涡流式）对比表见表3，传统更新和“双永磁系统”技改对比表见表4。

传统更新停产损失和设备、人工、材料费用合计92.5万元，年节约电费3万元左右;“双永磁系统”技改停产损失和设备、人工、材料费用合计27.7万元，年节约电费6万元左右;并且，“双永磁系统”技改没有环保隐患，后期维护费用较低，优势明显。

3 结论

“双永磁系统”在不改变安装基础的情况下对球磨机电机进行恒转速永磁再造，同时用无“轴肩力”的永磁耦合器替换传统液力耦合器共同驱动球磨机恒转速运转。该系统具有以下特点。

（1）根据现场使用条件定制永磁电机内部结构，以达到最佳的节能效果，综合节电率为12%，节能效果明显。

（2）无“轴肩力”永磁耦合器属于非接触式免维护柔性传动装置，正常使用寿命为20～30年，免维护，设备震动可降低70%以上，有效延长了设备使用寿命[3]，不使用液压油，降低了使用成本，减轻了环保压力，长期使用具有较好的社会效益和经济效益。

（3）新系统具有过载保护和柔性启动功能且拆装、调试方便，能有效保护设备安全运行和缩短设备停机检修时间。

（4）“双永磁系统”已经使用一段时间，使用效果良好，具有较好的市场应用价值和推广价值。

参 考 文 献

[1]陈磊，李洪章.永磁同步电动机的结构特点分析[J].电站系统工程，2011，27（4）：34.

[2]蒋德洪，刘晓晔，周建中.磁力耦合器在辊压机传动系统的应用[J].水泥，2015（7）：38-40.

[3]刁成华，刘亚洲，黄忠念.永磁耦合器在风机系统隔振减振中的应用研究[J].冶金动力，2019（2）：58-62.