高壓風冷集成型永磁電機系統的分析應用與研究

張守波，牟宗濤

（日照港股份有限公司第一港務分公司，山東 日照 276826）

港口碼頭皮帶運輸機多運行在重載、潮濕、多粉塵、鹽霧腐蝕等極端環境下，常采用“高速異步電機”和“三級減速機”相結合的傳動驅動式，一般存在體積大、質量重的問題。而且，為了實現連續化生產，整個傳動系統經常運行在低效工作區間，能耗高、啟動電流大，存在嚴重的電能浪費。隨著電力電子與現代電氣傳動控制技術的發展，經過幾代升級，能夠滿足低轉速、大扭矩生產設備的運行要求，但仍面臨能耗高、效率低等問題。此外，多級減速機故障率高、維護量大，需經常檢查更換潤滑油，性價比低。因此，本文通過對比分析、節能理論計算和應用，為選定適合輸送機專用的風冷高壓集成型永磁電機系列產品提供理論依據。

1 皮帶機用永磁電機驅動系統

目前，皮帶機驅動系統采用的永磁電機產品，大多會從高速永磁電機聯結減速器系統、永磁直驅電機驅動系統思路進行選型和應用，但是往往忽略了皮帶輸送機設備的特性—低速大扭矩，要求重載啟動能力強、體積重量要求嚴格。

針對上述輸送機的低速大扭矩應用需求，超低速永磁電機直接耦合輸送機，實現直驅傳動。相對常規驅動方式，雖然永磁直驅電機自身效率高、無中間傳動環節、可靠性高等優勢，但是在低轉速領域，往往為了達到額定功率和扭矩，降頻降功率使用，犧牲了永磁電機重載啟動性能和永磁材料的浪費。

高速永磁電機驅動系統也是替代異步電機驅動系統的方案之一，雖然高速永磁電機額定效率和功率因數等性能參數比異步電機高，但是該系統仍然存在異步電機系統、傳動鏈長、故障點多、維護工作量大的弊病。

集成型永磁電機驅動系統規避了原“高速異步電機+三級減速器”驅動系統（1480r/min）高速輸入帶來的振動大、噪音大、磨損快、故障率高等一系列弊端，采用“低速變更低速”系統。永磁電機以300 ～360r/min低速輸出，再配合小速比一級行星減速機低速大扭矩輸出，從而帶來系統的傳動鏈短、低振動、低噪音、低磨損、能效高、低發熱、壽命長等一系列優勢。

驅動電機方面，永磁電機輸出轉速為300 ～360r/min，通過一級扭矩放大器，組成了永磁電機＋扭矩放大器這種低速變超低速的傳動方式，從而實現目標轉速，且直接減小運轉時對傳動機械結構的慣性沖擊；扭矩放放大器方面，行星減速器的選材、設計、計算、加工裝配精度和過載能力水平遠高于同類產品。同時，因為行星減速器輸入轉速僅為400r/min以下，其使用壽命得到延長。永磁電機運行壽命大大提高。其特點是能效高（節電率15%以上），過載能力強，動態響應及時、負載匹配性好低振動，低噪聲、低溫升，可靠性高，易于智能化控制。永磁電機總成從設計之初充分考慮主要材料選擇、制造工藝、故障檢測和保護措施、試驗標準等因素，解決永磁體退磁、過載轉矩不足、電機啟動抖動、絕緣失效等問題。

2 BC5-1 皮帶機用高壓風冷永磁電機驅動系統

針對現場工況，結合低速永磁電機、行星減速機器、以及變頻控制的各自優勢，開發全新的永磁電動機智能驅動系統。采用低速驅低速的驅動方式。將原異步電機1487rpm 輸入，變成永磁電機200 ～300rpm 輸入，原多級減速變成一級行星減速輸出，滿足輸出0 ～76.4rpm轉速要求。

3 可行性分析

3.1 低速大扭矩永磁電機（驅動單元）

驅動電機方面，永磁電機輸出轉速為300 ～360r/min,通過一級扭矩放大器（行星減速機），組成了永磁電機＋扭矩放大器這種低速變超低速的傳動方式，從而實現目標轉速，轉速的降低直接減小了運轉時對傳動機械結構的慣性沖擊，永磁電機運行壽命大大提高。

永磁電機總成從設計之初充分考慮主要材料選擇、制造工藝、故障檢測和保護措施、試驗標準等因素，解決永磁體退磁、過載轉矩不足、電機啟動抖動、絕緣失效等問題，目前運行的600 臺永磁電機沒有一臺因為質量問題返廠維修。

3.2 行星減速機（耦合傳動單元）

（1）系統配套的減速機。是日照東方電機有限公司與南京高精齒輪箱有限公司、山西維達傳動科技有限公司等聯合研發生產的一級行星減速器，是根據負載特點和永磁電機特性專門設計的。永磁電機用一級行星減速器替代原有的多極減速機，傳動鏈縮短，故障率降低，同時過載倍數在1.8 倍以上，峰值扭矩可達額定扭矩的2.0 倍以上。

（2）工藝及材料。在齒輪方面外齒輪均選用優質齒輪專用低碳鋼，采用滲碳淬火工藝，內齒輪選用優質齒輪專用中碳鋼采用滲氮工藝，在得到高的齒面硬度、高的耐磨性能的同時能夠達到很好的芯部韌性，而且內外齒輪全部采用德國進口磨齒機進行精加工，并進行齒輪檢查儀檢測，以保證齒輪的精度。結構件均采用先進的數控加工中心加工，同時進行三坐標檢測以確保零部件的精度。同時行星部分采用SKF、FAG 進口軸承，以及進口密封件，并在密封處采用特殊工藝耐磨套，以保證軸承以及密封的可靠性。

（3）優勢如圖1 所示。

圖1

（4）熱平衡設計。在減速機熱功率方面進行了專門設計和熱場有限元分析，一般設備熱平衡溫度會控制在75℃以內，對熱功率不足的會通過增加散熱筋板、水冷盤管、冷卻泵站等方式保證設備熱功率不超標。

（5）潤滑。由于減速機輸入轉速大幅度降低，潤滑油發生質變的概率大幅度減少，潤滑油的運動黏度、酸堿值、顆粒物含量等主要指標，可長期保持優良和穩定，換油周期也大大延長。

（6）使用效果。行星減速器的選材、設計、計算、加工裝配精度和過載能力水平遠高于同類產品。同時，因為行星減速器輸入轉速僅為400r/min 以下，其使用壽命得到延長。目前行星減速器已在煤礦、港口、水泥行業皮帶機、提升機、拉鏈機上應用超過500 臺套，單套安全運行時長已經超過36000h，沒有一臺行星減速器發生斷齒、斷軸、軸承失效等現象，日常僅進行常規油品更換。

（7）備機方面。供應商長期庫存各種行星減速器，質保期內可為業主提供無償產品服務，終生提供技術支持。

3.3 變頻器（控制單元）

變頻控制系統方面，采用永磁專用無感矢量控制變頻器，是我公司與匯川技術聯合研發永磁電機專用控制單元。具有重載軟起、軟停、急停、自由停車、多機聯動和功率平衡的功能，對電網的諧波污染小，過流、過壓、過載等保護功能齊全，滿足對地耐壓（2Un+2000）V 的要求。具有在2 ～2.5r/min 超低速下，檢測（維護）的能力。專用變頻控制系統，具有完善的智能檢測和保護系統，可實現全天候對自身及驅動設備的預警和保護，并長期保存詳細的報警及故障信息。

變頻器針對皮帶機現場工藝專門設計，硬件防護定制；軟件具有悶車啟動、控制方式切換、過載能力大等優勢。所以，從材料、設計、工藝、試驗和控制等方面集成型永磁電機驅動系統安全可靠、技術成熟、高效能、高品質、高性價比，應用價值極高。

4 高壓風冷集成型永磁電機智能驅動系統節能分析

（1）每年工作300 天，每天工作10 小時，一年工作總計3000h。

（2）其中180%負載運行時間，約300×0.05=15 天；150% 負載運行時間，約300×0.25=75 天，滿載（100% 負載率）天數約300x0.5=150 天；80% 負載運行時間，約300×0.15=45 天；35%負載運行時間，約300×0.05=15 天。

（3）180% 額 定 轉 矩 工 況，（975.6kW-798.8kW）×15 天×10 小時=26520kW·h；150%額定轉矩工況，（766.2kW-615.6kW）×75 天×10 小 時=112950kW·h；100%額定轉矩工況，（477.8kW-397.1kW）×150 天×10小時=121050kW·h；80% 額定轉矩工況，（399.4kW-317.7kW）×45 天×10 小時=36765kW·h；35%額定轉矩工況，（180.9kW-143.7kW）×15 天×10 小時=5580kW·h；每年每臺節電L2為302865kW·h。根據2021 年1 月執行的山東省電網銷售電價，在35 ～110kV 電壓等級電價分為尖峰電價(0.9779 元/kW·h）、高峰電價(0.8663元/kW·h）、平段電價(0.5872 元/kW·h）和低谷電價（0.3082 元/kW·h），折算后按平均每度電費0.9元計算，每年每臺預計可節約27.3 萬元。

（4）節電率理論計算（BC5-1 皮帶機用異步電機驅動系統每年耗電計算）：L1=975.6kW×150h+766.2kW×750h+477.8kW×1500h+399.4kW×450h+180.9kW× 150h=1644555kW·h。

采用永磁電機驅動系統替代直流電機驅動系統，預期節電率L=L2/L1=18.4%，滿足客戶節能改造要求。

（5）單臺運行維護費用對比（預期值）見表1。

表1

（6）每年綜合節約成本計算。單套355kW 永磁電機驅動系統與單套355kW 異步電機驅動系統相比，預期單套355kW 永磁電機驅動系統綜合節約成本費用為：每年節約電費+每年節約運行維護費用=27.3 萬元+3.8萬元=31.1 萬元。

預計運行2 ～3 年可收回驅動系統成本。

5 結語

（1） 完成BC5-1 皮帶機用集成型永磁電機（355kW,10000V,76.4r/min）實際應用，并達到預期開發目標：同比永磁直驅電機重量減少1/3 ～1/2,機座號小1 ～2 個機座座號；噪聲值不超過80dB(A)；實現遠程控制和監測。

（2）開發生產的355kW 高壓集成型永磁電機系統，可實現恒轉矩啟動，重載軟起，重載緩停。啟動時，可提供1.5 倍額定轉矩，運行電流隨負載逐步增加，消除大電流對電機的沖擊；同時，采用專用變頻器控制系統，可實現低速大扭矩（軟起）啟動，消除啟動和停止時對集成型永磁電機的沖擊，延長輸送機設備驅動系統平穩運行時間，實現單臺套集成永磁電機系統年平均節電率超過15%，維護費用減少30%以上。

（3）集成型永磁電機系統的開發應用，可實現生產線從輸送、提升、分離等全過程的智能化控制和作業，具備高效節能、重載啟動能力強、安全可靠、振動噪聲小等特點，真正達到節能降耗降噪、綠色環保、智能管控的最佳效果，在國內技術水平處于領先。

（4）皮帶機用集成型永磁電機系統具有技術成熟、安全可靠、高效節能、高性價比等特點，適于工業設備新建設和改造項目。其產生的經濟效益和技術水平均取得了滿意結果。