永磁電機在衛生紙機上應用的探討

The Application of Permanent MagnetMotors inTissue Machines

中國衛生紙機行業近年來發展迅速，隨著技術的進步和成本優勢，越來越多的國內企業加入到衛生紙機的供應市場競爭中。在每年投產的現代化衛生紙機中，引進設備占比逐漸減少，國產設備占比逐漸增加。同時，中國生活用紙行業仍在持續發展，2024年中國生活用紙產量達1，450.5萬t，增長率 7.1% ，出口總額也有所增加。

在能耗方面，衛生紙機的真空系統能耗約占紙機總能耗的 20% 左右。目前，許多造紙企業開始探索真空系統的升級，例如使用磁懸浮透平真空泵替換原有的羅茨真空泵，以降低能耗。此外，有研究表明，采用先進的技術裝備，如福伊特Toscotec的INGENIA衛生紙機，可以比常見的TAD衛生紙機節省約 35% 的能耗。安德里茨（ANDRITZ）的PrimeLineTEX技術可以節省高達 50% 的能耗，并且紙機更加緊湊，占地面積更小。

政府也在積極推動生活用紙行業的綠色低碳發展，通過引導改造提升和加速淘汰落后產能，推動行業節能降碳技術改造?！豆I重點領域能效標桿水平和基準水平（2023年版）》的發布，為生活用紙行業綠色低碳技術裝備的發展明確了方向，鼓勵企業提高能源利用效率，推廣應用先進綠色低碳技術裝備。

1永磁電機特點

永磁電機作為一種高效、節能的電機，近年來在技術方面取得了顯著進展。其結構簡單、運行可靠、體積小、質量輕、損耗小、效率高的特點，使其在多個領域得到了廣泛應用，如新能源汽車、風力發電和工業自動化等。

1.1節能降耗

造紙行業用永磁直驅電機，電機轉子由永磁體和硅鋼片組成，電機運行時候轉子沒有轉差，所以電機就沒有轉子銅耗，永磁電機不需要勵磁電流，所以電機運行功率因素高，電機定子銅耗也降低，相比異步電機效率更高。原傳動系統還需要減速箱，減速箱齒輪之間傳動也是有能量損耗的，直驅電機就完美解決了系統傳動過程中帶來的能量損失，因為直驅電機不需要減速箱，電機軸通過聯軸器直接和設備連接。

圖1永磁直驅電機

圖2 三相異步電機

永磁同步電機的功率因素高，電機高效區的范圍很寬，相比三項異步電機在低速區和過轉矩區效率相比永磁同步電機效率更低。以400KW1000轉電機為例，異步電機的空載電流220A左右，永磁同步電機的空載電流20A以下。所以在空載或者小負荷情況下運行三相異步電機的轉子銅耗、鐵耗、定子銅耗都比永磁同步電機大很多。圖3為相同功率不同轉速和負載下電機效率對比曲線。

圖3永磁電機和異步電機效率對比曲線

過去，造紙行業的傳動系統使用異步電機和減速器來驅動輥子運行，但這會導致設備體積大。同時，齒輪傳動存在一定的效率損失，導致能效低、系統損耗大。永磁直驅電機直接驅動輥子省去了減速器裝置，維護安裝簡單方便，系統運行噪音低。經過多年的驗證，與相同工況下的電機與減速器驅動方式相比，可以節約 15%-30% 的能源，大大降低了客戶機組的使用成本，間接增加了客戶機組利潤。

1.2減少噪音

永磁直驅電機直接驅動輥子省去了減速器裝置，維護安裝簡單方便，系統運行噪音低。傳統減速機配置，電機輸入轉速高，齒輪高速磨損，加上電機自帶扇葉冷卻，車間噪音大。

1.3減少維護成本

采用低速直驅電機，電機輸入轉速低，軸承發熱量小，磨損量減小。減少了更換齒輪箱潤滑成本。

1.4減少變壓器負荷

采用力矩永磁電機，電機相比傳統的三項一步電機功率因數高，從而減少了變壓器負荷，并且減少了線路電阻銅耗的損失。

2永磁電機在衛生紙機應用的探討及計算

2.1碎漿機應用永磁電機的應用

傳動碎漿機采用的結構主要為皮帶連接或齒輪箱連接。應用永磁電機的碎漿機采用直接驅動，取消皮帶和齒輪。機械方面，皮帶張力調節對立式電機的徑向力影響比較大，電機的軸承壽命受到影響，維護保養頻繁，保養次數高。電氣性能上，皮帶一般的傳遞效率在 91% 左右，減速機傳動效率在 96%-98% 之間。

從效率分析，目前，企業廣泛使用的三相異步電動機存在經濟運行范圍較小的缺點，一般僅為額定負載的50%～90% ；在低于 85% 的額定負載時，功率因數下降較大。而永磁直驅電動機由于正常工作時轉子無鼠籠，沒有轉差，較高的功率因數又使定子電流較小，定子繞組損耗也較小，進而可以降低總損耗，從而使其效率比同規格感應電動機高出10～15個百分點；同時由于永磁直驅電動機在負載為額定負載的 25% 時仍然能夠達到0.9以上的功率因數，使輕載運行時節能效果更為顯著，且低速直接驅動效果良好。

2.2紙機應用永磁電機計算節能

以紙機的成形部為例，正常NRL（電機穩定的正常運行功率）在315kW，RDC（推薦電機功率）為714kW，傳動異步電機選型的時候，電機功率一般選擇710kW左右。電機實際運行功率為 50% 負荷。異步電機在這個工作點的效率會有96.7% 下降到 88% 左右。改成直驅電機700kW，電機設計效率到達 97% ，功率在315kW的仍然有 95% 左右。加上減速箱的傳遞損失，電機可以節能 10% 左右。如果考慮傳動異步電機不在目標轉速下運行，節約的能量會更高。

氣罩風機負載率通常在 50% 左右，對比永磁電機效率曲線通常在額定轉速下也有 8% 左右的節能。目前在包裝紙及特種紙廠都有大量的永磁電機的應用案例，包括主傳動碎漿機及其它泵類攪拌風機類，因此這對衛生紙機而言電機的永磁替代的步伐會越來越快。