水泥磨选粉机上DYT永磁直驱电机的运用

王晓军

（晋能控股煤业集团有限公司水泥厂， 山西 大同 037003）

一般水泥磨选粉机系统， 所使用的减速机需要在高偏载和冲击下载荷情况下运转， 具有故障率大、传动效能低下、 操作困难和维修成本较高等主要缺点。 为解决上述问题， 相关单位运用了高性能的永磁材料和重载变频驱动技术， 针对粉磨各种运行状态， 成功研制出高威力的永磁体材料直驱控制器，并已成功应用到中国国内的某公司水泥磨选粉机系统中。 此系统带料测试时， 满载连续工作， 各阶段检测数据良好， 工程实现取得了预定目标。

1 永磁同步直驱电机的原理介绍

永磁同步直驱发电机是由稀土的农用永磁体所产生磁场， 并通过矢量变频技术调节， 可以精确地调整发电机的输入电流、 流量等， 将电能可以高效率地转换为机械能的电气系统。 永磁直驱电动机运用了较高级数低转速的技术思想， 将对称三相交流电源通常用于发电机上对称的三相绕组中， 输出磁场通过定子绕组中引起旋转磁场和定子之间的电磁相互作用， 从而产生电流非常大的旋转力矩[1]。

2 永磁同步直驱电机的性能特点

2.1 节能降耗

永磁直驱电动机由于其转动的电磁靠永磁体直接形成， 因此免去了使用高输出电压来励磁降低了励磁损耗和涡流消耗， 所以其效能也较异步电机好。加上去掉的减速机减少中间传动功率浪费， 同时也能够利用电机精确调节所需速度。 因此通过这三个方面的累积叠加， 使得整个传动效能提升， 相比常规的减速机传动方法， 一般减少了30%的功率浪费。

2.2 占用空间少， 安装便捷

由于用了永磁体材料电机直接驱动负载， 所以改装后就把异步电机与减速机一起去掉了， 因此驱动模块尺寸明显减小， 现场活动能力得到很大提升，使得安装更加简洁和方便。

2.3 便于维护

永磁同步直驱马达的速度范围小， 工作稳定，振动能力较小， 且轴承均为欧美进口品牌， 确保了发电机能够连续工作十万小时以上， 也减少了后期对轴承的维修。 以防止维修人员忘记加油或少加油，在产品设计上采用了单点式自动充油器， 免人工自动注油， 安全性也得到了提高。

2.3 改善电网质量

永磁同步直驱发动机定子采用了稀有的地球钕铁硼材料形成磁场， 无需大流量励磁， 有功效率提高， 电量因数最大可达到0.98， 这样就极大地提高了电网的用电品质。 加上发电机使用变频启动的技术， 极大减小了起动电压， 这样就减少了对电网的瞬时影响。

3 水泥磨选粉机存在的问题

砂浆（水泥） 磨选粉机， 它是混凝土制造过程中的最后一个工序， 其机械设备的安全性对于相对良好产品质量有着关键的重要性。 我司的所有选粉机器均使用中国国内传统驱动方法， 即为"变频三相异步电动机+联轴器+减速机"的结构， 但减速机通常使用直轴或立式底脚安装方法， 这种结构驱动的问题也相当多。

首先， 因为减速机温度过高、 漏油， 又由于减速机箱内有循环水管道， 最高轴端温度仅为63℃，而二级传动的减速机容量又较小， 需要补上油箱轴承， 而造成减速机的冷却散热能力差温度过高， 因而产生了造成密封破坏的现象之一。 减速机的输出轴承位置向下， 在油封损坏时， 修理困难得多， 尤其严重， 导致大量的润滑剂短缺， 提高了轴承生产成本[2]。

其次， 发电机和减速器机的高速轴端震荡值变化较大， 水准震荡值是9.0mm/s， 垂直震荡值为6.6mm/s（减速器机输出端联轴器对中） 上的滚动轴承温度为59.1℃， 经再次找正后， 震荡值仍未有太大的改变， 但引起了尼龙销频频折断， 甚至引起事故停车， 从而大大降低了设备安全性。

最后， 电动机的支撑架有开焊缝， 因此需要对整个齿轨重新加以紧固， 但加固后由于震动系数过大还是出现开焊缝现象， 无形中加大了员工劳动强度。

所以， 针对选粉机出现的上述现象， 我们可以通过DYT永磁直驱系统取代了原来的“变频三相异步发电机+联轴器+减旋机” 的构成， 可以直接带动选粉机主轴， 切除减旋机， 从而彻底解决了原来减旋机温度过高、 漏油、 振动值高的现象， 从而避免了减速机频繁维修现象， 改变了现场条件， 减轻了工作量， 也减少了维护成本。

由于永磁直驱马达的速度小， 无需高转速工作，使传动部件的振动大大减轻。

4 改造方案

4.1 技术方案

立式粉磨直驱控制系统采用了永磁铁直驱马达来驱动立磨的磨盘， 已取代了由异步式发动机和减速箱机等所组成的传统机械传动系统， 同时免去了由异步式发动机的润滑油站、 水电阻箱等。 改造后的直驱控制系统， 是一种人性化的、 智能操作的全柔性驱动控制系统， 其优点。

1） 在驱动系统中去掉了减速机， 并进行了相应修改。 独创的立磨直驱系统技术在整个传动系统中省去了减速机， 从而彻底解决了我国水泥企业中长期存在的机械故障发生率过高、 运维费高严重问题，为粉磨设备节省资源开辟了新途径。

2） 可调压控制器。 立磨采用了具有机械调速功能的直驱系统设计， 既可以根据原材料特点、 加辅料特性的改变， 进行个性化选购； 还可以减少由于季节变动、 耐磨元器件损耗等所产生的不良影响，长期工作于良好状态， 进行生产系统的自动化运行。

4.2 改建以前的设施情况

水泥磨选粉机系统改造中， 卷线同步发电机技术参数： 型号为YRKK710 -6； 发电机总供给输出功率为2240kW； 定子电压6000V； 定子电压263.3A；定子电压1872V； 定子电压736A； 发动机频率为50Hz；发电机速度为993r/min； 绝缘级别为F类； 最高功率因数为0.86； 驱动形式为水电阻； 制冷方法为IC61。 风减速机技术参数： 设备型号为JLP220； 最大输入电源为2300kW； 最大输入速度为994r/min； 转速比为29.76∶1。

4.3 设备选型

4.3.1 永磁直驱电机

改造的永磁体电动机是低速低频电机， 额定重量数值速率为33.5r/min， 为了进行配合粉磨速度， 额定值重量频率为20.1Hz， 起动方法为变频器起动； 电机定子为贴壁构造， 外表整体浸油， 起到加强支撑的作用； 发电机定子为永磁结构形式， 其结构简单，工作后更加稳定； 电动机则使用在机壳的强制冷却水， 在符合水泥工业的环境条件下， 保证发电机的清洁， 因此提高了发电机寿命。

根据改造的主要技术参数和水泥磨选粉机系统特性， 确定了永磁直驱发电机的结构特征和主要电气特性， 永磁直驱发电机的主要数据： 产品型号为TYC2000 -72； 最高运行输出功率为2000 安； 设计电流为6000V； 最高运行电流210A； 最高运行频率为20.1Hz； 最高速度为33.5r/min； 绝缘隔离级别为F型； 最高功率因数为0.96； 驱动形式为变频驱动； 制冷形式为水冷[3]。

电机则选用立式设计。 驱动座与推力轴承均为机械支承机构， 推力轴承也是电动机的主体部分，并置于发电机上方。 推力轴承的静水压力运行方式，稀油润滑， 并采用了加压回油的操作方法， 从而大大减少了润滑油成本。

4.3.2 变频控制系统

变频启动系统作为永磁发动机的低频电源， 使其拥有了软启动性能。 完美无谐波高压变频技术是将若干个的PW M变频电源模块并联的方法， 进行直接高压供电。

6Kv电流等级所采用的36 脉冲的整流集成电路技术， 输入的电流波形为近似的正弦波。 因为输入电动机的高频谐波传动失真极低， 所以电机对整个驱动系统输出功率的综合影响因子可以达0.95 以上。 也因此， 针对水泥的预粉磨效率以及永磁发电机特点， 在充分考虑了水泥磨过载的影响之后， 将电机确定为电源式完美无谐波电机。

4.3.3 推力瓦轴承

推力瓦轴承由十五组巴氏合金的可倾式静水压力推进瓦与锻钢镜片所组成， 主要用来承担立磨的轴向转动、 静止等载荷。 安装后任何一次， 与工作瓦间的距离偏差均不得大于0.03cm， 并做出可追溯的记录； 在装配到推力轴承箱体上并要求进行研刮加工以后， 在负荷力轴承工作瓦的表面上每平方公分有1 ～3 个闭合触点， 其局部接触范围的每一个不应大于工作瓦面的2%， 其最高距离也不能超过16cm2，其总和距离也不能超过工作瓦面的5%[4]。

本次更新中， 在推力轴承上所装配的高低温供油设备仍是采用了原减速机的XGD-C200/600（ⅱ） 式轴承装置， 只不过除高压燃料传递形式由16 路改为15 路以外， 其余均没有实质性变化。

5 项目实施

5.1 项目组织

项目前期还将开展测绘科学研究项目， 重点研究内容： 磨机所需要的磨破动能、 磨盘转速、 激励系统电压等级、 磨机底部的紧固部位、 系统的机械电器接线、 震动电源的定位、 历史的工作资料、 传统机械驱动机构设备在正常工作时出现的技术问题、在生产过程中对驱动设备的技术要求等。 经过在实地的核算， 重新设计了永磁直驱电机的外形尺寸和定转子结构， 并分析了该系统的实际工作数据和根据有关数据， 选择了相应的重载变频牵引设备。

5.2 安装调试

施工前期， 应当做好吊车装配、 施工设备准备、检查工地文件， 以及对施工的实际检查等前期准备工作。 并按照国际永磁直驱发电机的相关规范， 进行装配基础和润滑油站、 接引冷却使用。 同样， 还实现了变频驱动系统的就位装置并与电器联接。 当永磁体直流驱风机就位后， 用2500V兆欧表面测试了其热绝缘性能。

所有新安装装置在运行完毕后， 都要对其实施全面测试， 内容包括与新安装设备上的所有设备电器连接， 以及正常运行后所需要的冷却水供应状况、润滑条件， 及打磨机设备上的其他有关装置条件等。测试结束后， 相关人员就位， 进行了直驱系统测试操作。

测试时， 先带磨盘空转时， 然后再测试发电机工作时的相对温度、 防冻发动机冷却液流量仪表的指示是不是准确， 还有直驱控制器与DCS 控制系统间的联锁状态， 保护是不是准确等。 接着按50%、80%和满载三个步骤带载测量， 每个步骤工作至零点5h， 以检查设备结构和各测量数据是不是准确。带满载时连续平稳工作72h 以上， 对系统稳定性和装置安全性进行了考察。

5.3 遇到的问题

5.3.1 电机绕组温度偏高

设备描述： 永磁直流驱风机使用了机壳的水冷技术， 并安装在封闭式的内； 但是， 由于现场的冷却， 水温度在夏天最大可超过35℃， 而热混凝土工序则位于冷却水系统的最末端， 所以风机冷却容量相对较小； 而封闭厂房内的空气流通也较差， 因此室内空气温度在夏天时最高可达到42℃； 而材料的生产过程也根据自己的实际情况时紧时松， 尤其严重的磨机问题以至超负荷运行。 上述情况的发电机绕组操作温度， 在夏天时最大达到了115℃。

解决办法： 将冷却水系统的备用水泵启动， 以增加供水； 增加了辅助风冷系统， 以提高发动机的散热效果。

效果： 在磨机正常运作期间， 发电机的绕组工作温度可维持在107℃的长时间工作， 而对于F级绝缘的发电机来说， 该温度则可改善整个长寿命时期的发电机稳定性。

5.3.2 推力轴承无法完成的重量回油

推力轴承本来使用的是自重翻油， 结果实际工作中发现回油嘴小， 回油容量不足， 无法完成自重翻油。 为了不耽误正常生产， 该厂制定了主动回油的措施， 并临时增加了回油泵。

通过进一步分析计算与检测之后， 在推进轴承箱壁的观测窗接引了一路回油， 压力翻油的现象才得到缓解， 并且油位还能够维持在原来设定的尺寸上， 而不会直接影响推力滚动轴承类型的轴承运动。

6 改造效果

采用永磁直驱发电机组时， 节电效果比较明显，而且工作电压也不会超标甚至跳停， 从而缓解了传统工艺运行的障碍现象。 此外， 由于永磁马达可垂直安置于选粉机的上壳中， 因此克服了整体选粉机上的振动难题， 而且在拆除减速机后也不需要再修理减速机， 设备安全性大幅增强。

7 结语

DYT永磁转子的防护等级IP55， 绝缘级别为H级， 最高可抗温达170℃， 同时设有绕组监测温度，实时控制变压器的操作温度， 并针对上下滚动轴承的设置自动充油器， 安装位置尽量为室温安装并设防雨罩， 以便于防雨淋及抗日晒， 铁磁衰减每年下降约为0.1%， 设计寿命约为50 年。 节电效益更加突出， 也同时改变了机械设备现场运行漏油的状况，降低了维修率， 机械设备振动现象也大幅降低， 机械设备工作更加平稳， 产品寿命大大增加， 因此值得广泛宣传和使用。