1、技术背景

　　传统的球磨机、立磨机大都采用三相异步电动机、联轴器、减速装置以及齿轮结构进行驱动，导致球磨机的传动系统存在机械传动链冗长、效率低、机构复杂、运行维护工作量大等问题。

　　沈阳工业大学电机与控制技术研究所与河南全新机电设备有限公司联合设计研发的球磨机、立磨机采用永磁直驱电机,通过将电动机与机械结构进行机电一体化设计，取消动力传输的中间环节，做成直驱方案，能直接满足荷载的需求，省去传统磨机的减速机，显著提高了电机的效率与功率因数，具有节能、起动转矩大、过载能力强、系统免维护、自动化程度高等优点。

　　在控制方面,本产品电机定子采用了模块化设计，不仅降低了加工、制造、运输等难度，还相当于把一个大功率电机做成了多个小功率电机。模块化电机的控制技术可以实现降低大功率电机的输入电压，但是不增加电机的输入电流，电机不必采用高等级绝缘。模块化电机采用多台小功率变频器联合供电，这样设计降低了电机的供电电压和使用的变频器容量，从而降低成本。每个模块电机都具有一套独立的控制系统，大大提升了电机控制的自由度，球磨机运行在轻载工况时，完全可以只运行部分模块电机驱动球磨机。

　　在结构方面，本产品电机的定子采用了一种自主设计研发的随动式结构，将整圆的定子分成若干个相互存在间隙的小扇形块，通过机械结构设计，确定了一种无论球磨机转筒是否震动或偏心，定子块始终跟随转筒运动从而保持定子与转子间隙恒定的结构。本产品通过机械结构设计保证定子与转子间的间隙恒定，电机不会发生扫膛现象，因此电机的气隙可以设计的比普通永磁直驱电机的小很多，从而大幅降低电机永磁体用量，降低生产成本，节约稀土资源，节能用电量。当模块发生故障时，直接拆卸故障电机，更换新的模块电机即可正常运行。使用本产品完全不会因电机发生故障而影响到生产工期。

　　2、球磨机专用随动式永磁直驱电机概述

　　本产品的随动式定子结构构成一种“小车结构”，滚筒就像公路，定子块就像汽车。滚轮贴合滚筒旋转相当于汽车在公路行驶，公路的起伏不影响车轮与地面贴合，即滚筒偏心浮动不影响滚轮贴合滚筒，保证定子、转子间隙恒定，在球磨机因装配误差、轴承磨损、滚筒形变、重载震动等原因造成电机偏心、气隙不均匀时，仍能正常运转，保证磨机始终运行在性能状态，不必停机检修。同时电机定子与转子间的间隙也可以做的更小，减少永磁体用量，并且因为随动式结构，电机不会发生扫膛现象。

　　本产品电机的定子为随动式结构,基于模块化永磁直驱电机，采用独立的扇形定子块结构，其随动原理是在定子块的轴向两侧安装滚轮且滚轮贴合滚筒来确定定子与转子间的间隙，定子块径向外侧设有与支撑框架相连的弹性机构。弹性机构在球磨机滚筒不偏心时处于半压缩状态,如果球磨机滚筒向上波动，转筒会向上顶定子块上安装的滚轮，进而带动定子块向上移动，上方弹性机构继续压缩;下方定子块在受到永磁体对其向上的吸引力的同时，定子块上的弹性机构将其向上顶，保证下方定子块的滚轮依然贴合转筒外表面，使定子块跟随转筒波动而进行径向与圆周方向的移动，从而保证定子、转子之间的间隙不变。球磨机滚筒向下复位或继续向下波动，则上方定子块在受到永磁体对其向下的吸引力的同时，弹性机构将上方其向下压,下方定子块被转筒向下压。

　　本产品弹性装置的压力大小可调，对于不同位置的定子块设置不同的压力,避免因弹性装置设置的压力过大造成滚轮或转筒磨损较快。

　　本产品将永磁电机采用模块化控制，根据不同功率的电机设计采用不同个数的随动式定子块构成一台模块电机，一台整圆电机由多台模块电机构成,多台模块电机共用同一个转子，模块电机包绕式安装在球磨机滚筒上。相邻随动式定子块间设有固定在支撑框架上的挡板来对定子块进行圆周方向的限位。球磨机滚筒的法兰处衔接T型支撑板,用于支撑安装电机转子铁心及磁钢。

　　本产品的随动式定子块安装拆卸十分便捷，只需要沿球磨机的径向依次拆卸密封外壳、弹性机构、弹性机构与定子块之间的连接杆、弹性机构支撑架，即可将定子块沿径向拉出，进行检修或更换新的定子块。

　　3、采用本产品代替传统磨机的电机驱动系统的优点

　　现阶段大多数的球磨机仍采用三相感应电动机、联轴器、减速装置以及齿轮结构进行驱动。永磁同步电机与感应电机相比优势是它有较高的效率和功率因数，损耗大大降低，节约了能源。永磁电机通过变频器进行调速，电机运行平稳，系统响应速度快，感应电机则起动相对困难。这些也是近年来永磁电机应用越来越广泛的原因。

　　采用永磁直驱，取消了中间的减速机、联轴器、及齿轮的传动环节，缩短系统的传动链，直驱系统的传动效率将提升至少20%。球磨机直驱系统的传动效率不仅得到大幅提升，而且直驱系统的故障率低，维护检修方便，还避免了传统设备因漏油造成环境污染。

　　由于本产品电机定子采用了模块化设计，不仅降低了加工，制造，运输等难度，还相当于把一个大功率电机做成了多个小功率电机。模块化电机的控制技术可以实现降低大功率电机的输入电压，但是不增加电机的输入电流，电机不必采用高等级绝缘，模块化电机采用多台小功率变频器联合供电。这样设计降低了电机的供电电压和使用的变频器容量，从而降低成本。球磨机运行在轻载工况时,完全可以只运行部分模块电机驱动球磨机。

　　传统电机故障时，会导致电机合成磁动势发生畸变，谐波含量增加，平均转矩下降，转矩波动显著增加，无法继续正常运行。而本产品进行了模块化设计，每个模块电机都具有一套独立的控制系统，大大提升了电机控制的自由度,可以利用其多电机结构和控制灵活的优势，在发生故障时。可以直接拆卸故障电机更换新的模块电机即可正常运行。模块化电机具有冗余的模块数，也可切除故障子模块而控制其余正常子模块降额运行。使用本产品完全不会因电机发生故障而影响到生产工期。

　　球磨机因加工误差、轴承磨损、滚筒形变或重载产生震动等因素会发生转子偏心现象，偏心严重时还会造成电机扫膛损坏电机，实际生产中常常通过增加气隙大小来预防扫膛，而气隙增大会导致永磁体用量增加，提高电机制造成本。随动式定子结构的模块电机，能在转筒偏心时保证定子与转子之间的间隙恒定，可将气隙做的更小，减少永磁体用量，电机不会发生扫膛现象，同时因为该随动式定子结构在偏心时能继续正常工作，检修次数更少，工作时间更长，大体积球磨机检修复杂，降低检修次数就是提高生产效率。

　　4、随动式球磨机装配示意图

　　二、永磁直驱立磨技术

　　1、立磨直驱对比于传统感应电机的优点( 1）变频调速控制，实现负载工况多样性

　　传统立磨速度单一，工况适应能力差。遇到突发事件，调整磨鞮高度来改变系统工作环境，系统反应速度慢。永磁同步电机采用变频调速，适应工况能力强。遇到突发事件，除调整磨辗高度外，还增加了速度调节以快速适应系统工作环境，系统反应速度更快。

　　(2）系统简单,可靠性高

　　传统系统因三相感应电机无法在低速实现大转矩输出，需要额外的盘车系统满足立磨的低速起动。为保证在电机起动过程不对电网造成过大的冲击，需增加软起动装置。三相感应电机起动后，通过减速器满足系统转矩需要，整个系统构成复杂，系统运行的辅助设备很多。直驱系统由变频控制系统控制永磁同步电机起动，转矩特性满足需要，无需盘车系统和减速器，辅助系统少，结构简单。

　　(3）变频器软起动，起动过程随意设定

　　传统系统先由低速盘车系统起动，待三相感应电机达到起动条件后，软起动装置起动三相感应电机，系统运行。系统控制复杂，低速无法实现过载输出。在低速过程需要盘车系统，将转速提高到三相感应电机起动条件。直驱系统直接变频低速起动，系统直接运行，系统控制简单。变频控制起动过程可根据实际工况进行调整，以满足各种工况的需求。低速可过载输出，满足起动需要，取代盘车系统。

　　(4）无减速器，维护成本更低,维护次数少

　　系统各构成单元均需要时常检查和定期维护，传统系统构成单元多。同时立磨减速器结构复杂需要经常维护，维护成本费用高。同时系统无法实现在低速运行的情况下进行系统维护。直驱系统构成单元简单，变频器控制永磁同步电机直接驱动，控制方便。系统内无减速器，无需额外进行维护，系统维护成本低。同时，系统可实现在电机低速运行情况下进行系统维护。

　　(5）传动效率高,节能效果明显

　　综上采用直驱永磁电机取代传统驱动系统年节电量达181万元。（按照5000h,0.6元/kWh）立式鲲磨机直驱系统的优势与球磨机直驱系统相同，这里不再一—赘述。

　　2、永磁直驱立磨结构示意图

　　本新型立磨结构采用永磁直驱电机驱动,提高了立磨效率。在立磨扶正轴承与压力轴承上进行突破，通过设计一种双向载荷扇形模块机构替代大直径轴承，方便加工、生产、运输、装配、维修，并降低成本,在工程实际中具有很强的实用型。

　　针对大、中、小型不同尺寸的立磨，分别设计了三种立磨专用永磁电机，代替传统的减速机与三相异步电动机，永磁直驱电机具有双向载荷机构与不同的放置位置，均能达到扶正与承压的作用，并且方便制造、装配维护，节省成本。均已申请专 利。