水泥磨選粉機上DYT永磁直驅電機的運用

王曉軍

（晉能控股煤業集團有限公司水泥廠， 山西 大同 037003）

一般水泥磨選粉機系統， 所使用的減速機需要在高偏載和沖擊下載荷情況下運轉， 具有故障率大、傳動效能低下、 操作困難和維修成本較高等主要缺點。 為解決上述問題， 相關單位運用了高性能的永磁材料和重載變頻驅動技術， 針對粉磨各種運行狀態， 成功研制出高威力的永磁體材料直驅控制器，并已成功應用到中國國內的某公司水泥磨選粉機系統中。 此系統帶料測試時， 滿載連續工作， 各階段檢測數據良好， 工程實現取得了預定目標。

1 永磁同步直驅電機的原理介紹

永磁同步直驅發電機是由稀土的農用永磁體所產生磁場， 并通過矢量變頻技術調節， 可以精確地調整發電機的輸入電流、 流量等， 將電能可以高效率地轉換為機械能的電氣系統。 永磁直驅電動機運用了較高級數低轉速的技術思想， 將對稱三相交流電源通常用于發電機上對稱的三相繞組中， 輸出磁場通過定子繞組中引起旋轉磁場和定子之間的電磁相互作用， 從而產生電流非常大的旋轉力矩[1]。

2 永磁同步直驅電機的性能特點

2.1 節能降耗

永磁直驅電動機由于其轉動的電磁靠永磁體直接形成， 因此免去了使用高輸出電壓來勵磁降低了勵磁損耗和渦流消耗， 所以其效能也較異步電機好。加上去掉的減速機減少中間傳動功率浪費， 同時也能夠利用電機精確調節所需速度。 因此通過這三個方面的累積疊加， 使得整個傳動效能提升， 相比常規的減速機傳動方法， 一般減少了30%的功率浪費。

2.2 占用空間少， 安裝便捷

由于用了永磁體材料電機直接驅動負載， 所以改裝后就把異步電機與減速機一起去掉了， 因此驅動模塊尺寸明顯減小， 現場活動能力得到很大提升，使得安裝更加簡潔和方便。

2.3 便于維護

永磁同步直驅馬達的速度范圍小， 工作穩定，振動能力較小， 且軸承均為歐美進口品牌， 確保了發電機能夠連續工作十萬小時以上， 也減少了后期對軸承的維修。 以防止維修人員忘記加油或少加油，在產品設計上采用了單點式自動充油器， 免人工自動注油， 安全性也得到了提高。

2.3 改善電網質量

永磁同步直驅發動機定子采用了稀有的地球釹鐵硼材料形成磁場， 無需大流量勵磁， 有功效率提高， 電量因數最大可達到0.98， 這樣就極大地提高了電網的用電品質。 加上發電機使用變頻啟動的技術， 極大減小了起動電壓， 這樣就減少了對電網的瞬時影響。

3 水泥磨選粉機存在的問題

砂漿（水泥） 磨選粉機， 它是混凝土制造過程中的最后一個工序， 其機械設備的安全性對于相對良好產品質量有著關鍵的重要性。 我司的所有選粉機器均使用中國國內傳統驅動方法， 即為"變頻三相異步電動機+聯軸器+減速機"的結構， 但減速機通常使用直軸或立式底腳安裝方法， 這種結構驅動的問題也相當多。

首先， 因為減速機溫度過高、 漏油， 又由于減速機箱內有循環水管道， 最高軸端溫度僅為63℃，而二級傳動的減速機容量又較小， 需要補上油箱軸承， 而造成減速機的冷卻散熱能力差溫度過高， 因而產生了造成密封破壞的現象之一。 減速機的輸出軸承位置向下， 在油封損壞時， 修理困難得多， 尤其嚴重， 導致大量的潤滑劑短缺， 提高了軸承生產成本[2]。

其次， 發電機和減速器機的高速軸端震蕩值變化較大， 水準震蕩值是9.0mm/s， 垂直震蕩值為6.6mm/s（減速器機輸出端聯軸器對中） 上的滾動軸承溫度為59.1℃， 經再次找正后， 震蕩值仍未有太大的改變， 但引起了尼龍銷頻頻折斷， 甚至引起事故停車， 從而大大降低了設備安全性。

最后， 電動機的支撐架有開焊縫， 因此需要對整個齒軌重新加以緊固， 但加固后由于震動系數過大還是出現開焊縫現象， 無形中加大了員工勞動強度。

所以， 針對選粉機出現的上述現象， 我們可以通過DYT永磁直驅系統取代了原來的“變頻三相異步發電機+聯軸器+減旋機” 的構成， 可以直接帶動選粉機主軸， 切除減旋機， 從而徹底解決了原來減旋機溫度過高、 漏油、 振動值高的現象， 從而避免了減速機頻繁維修現象， 改變了現場條件， 減輕了工作量， 也減少了維護成本。

由于永磁直驅馬達的速度小， 無需高轉速工作，使傳動部件的振動大大減輕。

4 改造方案

4.1 技術方案

立式粉磨直驅控制系統采用了永磁鐵直驅馬達來驅動立磨的磨盤， 已取代了由異步式發動機和減速箱機等所組成的傳統機械傳動系統， 同時免去了由異步式發動機的潤滑油站、 水電阻箱等。 改造后的直驅控制系統， 是一種人性化的、 智能操作的全柔性驅動控制系統， 其優點。

1） 在驅動系統中去掉了減速機， 并進行了相應修改。 獨創的立磨直驅系統技術在整個傳動系統中省去了減速機， 從而徹底解決了我國水泥企業中長期存在的機械故障發生率過高、 運維費高嚴重問題，為粉磨設備節省資源開辟了新途徑。

2） 可調壓控制器。 立磨采用了具有機械調速功能的直驅系統設計， 既可以根據原材料特點、 加輔料特性的改變， 進行個性化選購； 還可以減少由于季節變動、 耐磨元器件損耗等所產生的不良影響，長期工作于良好狀態， 進行生產系統的自動化運行。

4.2 改建以前的設施情況

水泥磨選粉機系統改造中， 卷線同步發電機技術參數： 型號為YRKK710 -6； 發電機總供給輸出功率為2240kW； 定子電壓6000V； 定子電壓263.3A；定子電壓1872V； 定子電壓736A； 發動機頻率為50Hz；發電機速度為993r/min； 絕緣級別為F類； 最高功率因數為0.86； 驅動形式為水電阻； 制冷方法為IC61。 風減速機技術參數： 設備型號為JLP220； 最大輸入電源為2300kW； 最大輸入速度為994r/min； 轉速比為29.76∶1。

4.3 設備選型

4.3.1 永磁直驅電機

改造的永磁體電動機是低速低頻電機， 額定重量數值速率為33.5r/min， 為了進行配合粉磨速度， 額定值重量頻率為20.1Hz， 起動方法為變頻器起動； 電機定子為貼壁構造， 外表整體浸油， 起到加強支撐的作用； 發電機定子為永磁結構形式， 其結構簡單，工作后更加穩定； 電動機則使用在機殼的強制冷卻水， 在符合水泥工業的環境條件下， 保證發電機的清潔， 因此提高了發電機壽命。

根據改造的主要技術參數和水泥磨選粉機系統特性， 確定了永磁直驅發電機的結構特征和主要電氣特性， 永磁直驅發電機的主要數據： 產品型號為TYC2000 -72； 最高運行輸出功率為2000 安； 設計電流為6000V； 最高運行電流210A； 最高運行頻率為20.1Hz； 最高速度為33.5r/min； 絕緣隔離級別為F型； 最高功率因數為0.96； 驅動形式為變頻驅動； 制冷形式為水冷[3]。

電機則選用立式設計。 驅動座與推力軸承均為機械支承機構， 推力軸承也是電動機的主體部分，并置于發電機上方。 推力軸承的靜水壓力運行方式，稀油潤滑， 并采用了加壓回油的操作方法， 從而大大減少了潤滑油成本。

4.3.2 變頻控制系統

變頻啟動系統作為永磁發動機的低頻電源， 使其擁有了軟啟動性能。 完美無諧波高壓變頻技術是將若干個的PW M變頻電源模塊并聯的方法， 進行直接高壓供電。

6Kv電流等級所采用的36 脈沖的整流集成電路技術， 輸入的電流波形為近似的正弦波。 因為輸入電動機的高頻諧波傳動失真極低， 所以電機對整個驅動系統輸出功率的綜合影響因子可以達0.95 以上。 也因此， 針對水泥的預粉磨效率以及永磁發電機特點， 在充分考慮了水泥磨過載的影響之后， 將電機確定為電源式完美無諧波電機。

4.3.3 推力瓦軸承

推力瓦軸承由十五組巴氏合金的可傾式靜水壓力推進瓦與鍛鋼鏡片所組成， 主要用來承擔立磨的軸向轉動、 靜止等載荷。 安裝后任何一次， 與工作瓦間的距離偏差均不得大于0.03cm， 并做出可追溯的記錄； 在裝配到推力軸承箱體上并要求進行研刮加工以后， 在負荷力軸承工作瓦的表面上每平方公分有1 ～3 個閉合觸點， 其局部接觸范圍的每一個不應大于工作瓦面的2%， 其最高距離也不能超過16cm2，其總和距離也不能超過工作瓦面的5%[4]。

本次更新中， 在推力軸承上所裝配的高低溫供油設備仍是采用了原減速機的XGD-C200/600（ⅱ） 式軸承裝置， 只不過除高壓燃料傳遞形式由16 路改為15 路以外， 其余均沒有實質性變化。

5 項目實施

5.1 項目組織

項目前期還將開展測繪科學研究項目， 重點研究內容： 磨機所需要的磨破動能、 磨盤轉速、 激勵系統電壓等級、 磨機底部的緊固部位、 系統的機械電器接線、 震動電源的定位、 歷史的工作資料、 傳統機械驅動機構設備在正常工作時出現的技術問題、在生產過程中對驅動設備的技術要求等。 經過在實地的核算， 重新設計了永磁直驅電機的外形尺寸和定轉子結構， 并分析了該系統的實際工作數據和根據有關數據， 選擇了相應的重載變頻牽引設備。

5.2 安裝調試

施工前期， 應當做好吊車裝配、 施工設備準備、檢查工地文件， 以及對施工的實際檢查等前期準備工作。 并按照國際永磁直驅發電機的相關規范， 進行裝配基礎和潤滑油站、 接引冷卻使用。 同樣， 還實現了變頻驅動系統的就位裝置并與電器聯接。 當永磁體直流驅風機就位后， 用2500V兆歐表面測試了其熱絕緣性能。

所有新安裝裝置在運行完畢后， 都要對其實施全面測試， 內容包括與新安裝設備上的所有設備電器連接， 以及正常運行后所需要的冷卻水供應狀況、潤滑條件， 及打磨機設備上的其他有關裝置條件等。測試結束后， 相關人員就位， 進行了直驅系統測試操作。

測試時， 先帶磨盤空轉時， 然后再測試發電機工作時的相對溫度、 防凍發動機冷卻液流量儀表的指示是不是準確， 還有直驅控制器與DCS 控制系統間的聯鎖狀態， 保護是不是準確等。 接著按50%、80%和滿載三個步驟帶載測量， 每個步驟工作至零點5h， 以檢查設備結構和各測量數據是不是準確。帶滿載時連續平穩工作72h 以上， 對系統穩定性和裝置安全性進行了考察。

5.3 遇到的問題

5.3.1 電機繞組溫度偏高

設備描述： 永磁直流驅風機使用了機殼的水冷技術， 并安裝在封閉式的內； 但是， 由于現場的冷卻， 水溫度在夏天最大可超過35℃， 而熱混凝土工序則位于冷卻水系統的最末端， 所以風機冷卻容量相對較小； 而封閉廠房內的空氣流通也較差， 因此室內空氣溫度在夏天時最高可達到42℃； 而材料的生產過程也根據自己的實際情況時緊時松， 尤其嚴重的磨機問題以至超負荷運行。 上述情況的發電機繞組操作溫度， 在夏天時最大達到了115℃。

解決辦法： 將冷卻水系統的備用水泵啟動， 以增加供水； 增加了輔助風冷系統， 以提高發動機的散熱效果。

效果： 在磨機正常運作期間， 發電機的繞組工作溫度可維持在107℃的長時間工作， 而對于F級絕緣的發電機來說， 該溫度則可改善整個長壽命時期的發電機穩定性。

5.3.2 推力軸承無法完成的重量回油

推力軸承本來使用的是自重翻油， 結果實際工作中發現回油嘴小， 回油容量不足， 無法完成自重翻油。 為了不耽誤正常生產， 該廠制定了主動回油的措施， 并臨時增加了回油泵。

通過進一步分析計算與檢測之后， 在推進軸承箱壁的觀測窗接引了一路回油， 壓力翻油的現象才得到緩解， 并且油位還能夠維持在原來設定的尺寸上， 而不會直接影響推力滾動軸承類型的軸承運動。

6 改造效果

采用永磁直驅發電機組時， 節電效果比較明顯，而且工作電壓也不會超標甚至跳停， 從而緩解了傳統工藝運行的障礙現象。 此外， 由于永磁馬達可垂直安置于選粉機的上殼中， 因此克服了整體選粉機上的振動難題， 而且在拆除減速機后也不需要再修理減速機， 設備安全性大幅增強。

7 結語

DYT永磁轉子的防護等級IP55， 絕緣級別為H級， 最高可抗溫達170℃， 同時設有繞組監測溫度，實時控制變壓器的操作溫度， 并針對上下滾動軸承的設置自動充油器， 安裝位置盡量為室溫安裝并設防雨罩， 以便于防雨淋及抗日曬， 鐵磁衰減每年下降約為0.1%， 設計壽命約為50 年。 節電效益更加突出， 也同時改變了機械設備現場運行漏油的狀況，降低了維修率， 機械設備振動現象也大幅降低， 機械設備工作更加平穩， 產品壽命大大增加， 因此值得廣泛宣傳和使用。