金杰峰，王立強(qiáng)，樓向明，葉 鵬

(杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司，浙江杭州 310020)

0 引 言

在各類輕工業(yè)品自動(dòng)化流水生產(chǎn)線中普遍使用的驅(qū)動(dòng)裝置是異步電機(jī)減速機(jī)系統(tǒng)，即使用小功率的三相異步電機(jī)經(jīng)減速機(jī)減速并提高轉(zhuǎn)矩后驅(qū)動(dòng)各類設(shè)備。飲料輸送線中大量使用的是3 kW以下的三相異步電機(jī)，其效率一般都低于80%［1］。而驅(qū)動(dòng)裝置的選型原則是等級(jí)靠大不靠小，一般飲料輸送線配置的電機(jī)均有20% ～45%容量富余［2］，即電機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際輸出功率為額定功率的80%以下，使其效率進(jìn)一步下降。減速機(jī)方面，飲料輸送線上使用的減速機(jī)多為蝸輪蝸桿減速機(jī)，其效率一般也低于80%。因此，目前廣泛使用的飲料輸送線驅(qū)動(dòng)裝置的實(shí)際效率往往低于50%。若能采用低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩高效直驅(qū)電機(jī)替換現(xiàn)有的異步電機(jī)減速機(jī)裝置直接驅(qū)動(dòng)輸送線，則可以大大提高系統(tǒng)效率。

在慕尼黑Drinktec 2009展覽會(huì)上，德國(guó)海富公司展出了世界首創(chuàng)物料輸送帶直驅(qū)系統(tǒng)—Beetec直驅(qū)電機(jī)，去除了減速機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能30%［3］，但是直至目前尚無(wú)成熟產(chǎn)品銷售。而目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上銷售的直驅(qū)電機(jī)產(chǎn)品基本都為大功率或高精度伺服電機(jī)，不適用于飲料輸送線。

因此，針對(duì)飲料輸送線的驅(qū)動(dòng)需要，本研究開(kāi)發(fā)一款新型永磁同步直驅(qū)電機(jī)，并在飲料瓶輸送帶上進(jìn)行試用。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求分析

飲料瓶輸送帶的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該輸送帶主要由鏈輪、鏈板、支撐機(jī)架和驅(qū)動(dòng)裝置組成。鏈板頭尾連接形成環(huán)狀套在兩個(gè)鏈輪上，且背面有齒槽可與鏈輪上的齒相配合。鏈輪分為主動(dòng)輪和被動(dòng)輪，輸送帶運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使鏈板做直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)鏈板上的飲料瓶前進(jìn)。

圖1 鏈板輸送帶示意圖

根據(jù)物理原理，輸送帶勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輸送帶主動(dòng)輪所需的轉(zhuǎn)矩為:

式中:F—鏈輪對(duì)鏈板的拉力，R—鏈板繞鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑。

由于飲料瓶輸送帶一般都為勻速運(yùn)行且水平運(yùn)動(dòng)，鏈輪對(duì)鏈板的拉力等于鏈板受到的摩擦力，為:

式中:fW—鏈板與支撐條之間的摩擦力，fb—飲料瓶與鏈板之間的摩擦力。

其中，鏈板與支撐條之間的摩擦力為:

式中:Mb—鏈板上飲料瓶的總重量，MW—鏈板自身重量，g—重力加速度，μW—鏈板與支撐框架之間的摩擦系數(shù)。

當(dāng)輸送帶正常運(yùn)行時(shí)，飲料瓶與鏈板之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，則:

當(dāng)輸送帶出現(xiàn)堵塞情況時(shí)，鏈板繼續(xù)運(yùn)動(dòng)而飲料瓶無(wú)法前進(jìn)，即飲料瓶與鏈板之間有相對(duì)滑動(dòng)，則:

式中:μb—鏈板與飲料瓶之間的摩擦系數(shù)。

輸送帶上飲料瓶的總重量為:

式中:mb—單瓶飲料重量，N—輸送帶上飲料瓶總數(shù)量。

對(duì)于單道運(yùn)行的輸送帶而言，輸送帶上飲料瓶總數(shù)量為:

式中:L—輸送帶長(zhǎng)度;D—飲料瓶身的最大直徑;d—輸送帶上前后飲料瓶之間的間距，輸送帶堵塞時(shí)，d=0。

當(dāng)輸送帶以速度v勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輸送帶所需的功率:

驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速:

以INTRALOX?公司的鏈板為例，其輸送帶長(zhǎng)為10 m，鏈板繞鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑R=81 mm，鏈板重量MW≈33 kg。在輸送帶潤(rùn)滑情況下，取 μW=0.09，μb=0.09［4］。此輸送帶在不同工況下輸送不同的飲料瓶時(shí)，根據(jù)以上公式，計(jì)算驅(qū)動(dòng)輸送帶所需的轉(zhuǎn)矩、功率和轉(zhuǎn)速如表1所示。

表1 輸送帶驅(qū)動(dòng)裝置理論參數(shù)估算值

上述計(jì)算是比較理想的狀況，在輸送帶實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，輸送帶受各種大小和性質(zhì)不同的載荷作用，處在極其復(fù)雜的受力狀態(tài)下［5］。所以實(shí)際驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需的轉(zhuǎn)矩和功率大于計(jì)算結(jié)果。另外，還需考慮到實(shí)際應(yīng)用需要預(yù)留的余量，最終確定需要開(kāi)發(fā)的直驅(qū)電機(jī)基本參數(shù)如下:

2 直驅(qū)電機(jī)的設(shè)計(jì)

由于永磁同步電機(jī)具有體積小、重量輕、效率高、功率因數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)［6-7］，直驅(qū)電機(jī)采用了交流永磁同步技術(shù)。

對(duì)于永磁同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)速:

式中:f—電機(jī)的額定頻率，p—電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

由式(10)可以看出，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)的極數(shù)成反比，與電源的頻率成正比。因此，為了降低電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，可以在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，增加電機(jī)極數(shù)或降低電機(jī)的額定頻率。考慮到電機(jī)低頻方面的低限問(wèn)題，使得通過(guò)采用降低額定頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)低速目的的方法具有一定的局限性［8］。本研究在直驅(qū)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，采用了增加電機(jī)極數(shù)的方法，并最終確定電機(jī)的頻率和極對(duì)數(shù)為:

額定頻率:fN=80 Hz;

極對(duì)數(shù):p=16。

在永磁材料方面，釹鐵硼是目前磁性能最好的永磁材料，其剩磁和矯頑力都非常高，退磁曲線為直線，回復(fù)線與退磁曲線基本重合，且性價(jià)比高，特別適用于永磁電機(jī)［9-10］。因此，該設(shè)計(jì)選用了牌號(hào)為N35SH的釹鐵硼為電機(jī)的永磁體材料。

直驅(qū)電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程與一般永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程相同，只是需要根據(jù)直驅(qū)電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)選擇合適的參數(shù)。主要設(shè)計(jì)步驟如下:

(1)直驅(qū)電機(jī)主要尺寸的初定，即根據(jù)直驅(qū)電機(jī)的額定參數(shù)和相關(guān)電機(jī)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)初步確定電機(jī)的主要尺寸，包括永磁體尺寸、氣隙長(zhǎng)度、定轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑和軸向長(zhǎng)度、定子槽數(shù)和極距等結(jié)構(gòu)尺寸。直驅(qū)電機(jī)極數(shù)較多，使得電機(jī)直徑較大，而長(zhǎng)度較短，即為粗短型。因此電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，長(zhǎng)徑比需比一般永磁同步電機(jī)小，該設(shè)計(jì)中的長(zhǎng)徑比選為0.25左右。

(2)直驅(qū)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)與計(jì)算。電磁設(shè)計(jì)是電機(jī)設(shè)計(jì)的核心部分，需要根據(jù)永磁同步電機(jī)的理論建立等效電磁模型，然后進(jìn)行繞組參數(shù)計(jì)算、磁路計(jì)算、電路參數(shù)計(jì)算和電機(jī)特性的綜合計(jì)算，最終得出電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)并修正電機(jī)主要尺寸數(shù)據(jù)。由于直驅(qū)電機(jī)要求低速運(yùn)行并輸出大轉(zhuǎn)矩，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能地提高轉(zhuǎn)矩密度。該設(shè)計(jì)采用分?jǐn)?shù)槽，并選擇了較大的電磁負(fù)荷。

永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)相當(dāng)成熟，具體設(shè)計(jì)方法可參考文獻(xiàn)［11-13］，本研究不再詳述，只給出電機(jī)的最終設(shè)計(jì)結(jié)果。直驅(qū)電機(jī)的各項(xiàng)主要參數(shù)如表2所示，電機(jī)示意圖如圖2所示。

表2 直驅(qū)電機(jī)主要參數(shù)

圖2 直驅(qū)電機(jī)示意圖

3 直驅(qū)電機(jī)的測(cè)試與試用

根據(jù)直驅(qū)電機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)果，本研究試制了一臺(tái)樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了必要的測(cè)試，以驗(yàn)證電機(jī)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

測(cè)試時(shí)，由測(cè)功機(jī)對(duì)直驅(qū)電機(jī)進(jìn)行加載，而在電機(jī)輸出軸與測(cè)功機(jī)之間串接扭矩傳感器以測(cè)得電機(jī)輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)矩，并加裝高精度旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)試電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，從而計(jì)算電機(jī)的實(shí)際輸出功率。直驅(qū)電機(jī)由高性能變頻器驅(qū)動(dòng)，以無(wú)傳感控制方式實(shí)現(xiàn)變頻啟動(dòng)和調(diào)速，并由變頻器的輸出數(shù)據(jù)直接得到電機(jī)的輸入功率。直驅(qū)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 直驅(qū)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

由輸入功率和輸出功率即可計(jì)算直驅(qū)電機(jī)的效率，測(cè)試所得直驅(qū)電機(jī)在不同輸出扭矩時(shí)的轉(zhuǎn)速—效率曲線如圖4所示。由圖可得直驅(qū)電機(jī)在設(shè)計(jì)的額定轉(zhuǎn)速(300 r/min)和額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩(40 N·m)時(shí)，效率約為83%，而最大效率可達(dá)85%左右，說(shuō)明直驅(qū)電機(jī)是符合設(shè)計(jì)要求的。而直驅(qū)電機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)速較低時(shí)，其效率有較大程度的下降。

圖4 直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)速效率曲線圖

為了檢驗(yàn)直驅(qū)電機(jī)的節(jié)能效果，本研究搭建了一段10 m長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)輸送帶，分別安裝現(xiàn)有的異步電機(jī)減速機(jī)裝置和直驅(qū)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，并進(jìn)行能耗對(duì)比。其中異步電機(jī)按照設(shè)計(jì)慣例功率為1.1 kW，實(shí)際安裝情況如圖5所示。

輸送帶上實(shí)際放置100瓶飲料，每瓶飲料重量約0.53 kg，分別模擬輸送帶空轉(zhuǎn)、正常運(yùn)行和堵塞運(yùn)行3種不同工況。異步電機(jī)和直驅(qū)電機(jī)由同一款變頻器驅(qū)動(dòng)，并分別讀出兩種電機(jī)的實(shí)際輸入功率;在驅(qū)動(dòng)軸上安裝扭矩傳感器實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩，并計(jì)算其實(shí)際輸出功率;實(shí)際輸出功率與實(shí)際輸入功率相除即可得出系統(tǒng)效率。測(cè)試結(jié)果如表3所示。

由表3數(shù)據(jù)可得直驅(qū)電機(jī)與普通異步電機(jī)減速機(jī)裝置相比，系統(tǒng)效率可提升20%以上，而實(shí)際節(jié)能率可達(dá)30%～40%。

圖5 驅(qū)動(dòng)裝置安裝圖

表3 直驅(qū)電機(jī)與異步電機(jī)減速機(jī)裝置效率對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

新型直驅(qū)電機(jī)通過(guò)改變電機(jī)結(jié)構(gòu)，并采用永磁技術(shù)，以降低轉(zhuǎn)速，提高轉(zhuǎn)矩密度，使其在小功率狀態(tài)下輸出較大轉(zhuǎn)矩，去除了減速機(jī)等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，大大提高了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。該直驅(qū)電機(jī)發(fā)熱少，無(wú)需冷卻和潤(rùn)滑，降低了維護(hù)成本，并有利于保持清潔衛(wèi)生的生產(chǎn)環(huán)境。測(cè)試和試用結(jié)果表明，該直驅(qū)電機(jī)效率較高，節(jié)能效果顯著，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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