劉 偉

(廈門鎢業(yè)股份有限公司技術(shù)中心,福建 廈門 361000)

0 引 言

推車機是發(fā)電廠、選煤廠、鋼鐵廠、碼頭等現(xiàn)場選用翻車機卸車作業(yè)時的配套設(shè)備[1-2]。它可以將整列裝有煤、礦石、砂、礦粉等塊狀或粒狀貨物的列車牽引到一定的位置上。此外，它也可以單獨作為調(diào)車設(shè)備使用，用于其它需要調(diào)動車輛并準確將車輛定位的場合。

推車機的驅(qū)動部分多采用“異步電機+減速機”的方式，傳動環(huán)節(jié)多，系統(tǒng)效率低，能耗大。推車機需要很大的起動轉(zhuǎn)矩，這使起動電流過大，會對電網(wǎng)造成沖擊，而且其負載是大慣性負載，機械沖擊較大，造成機械設(shè)備使用壽命縮短，運行可靠性降低[3-4]。另外推車機要求準確定位，操作人員靠經(jīng)驗操作，操作起來有一定難度，而且定位效果不理想。

針對這一現(xiàn)狀，開發(fā)設(shè)計低速直驅(qū)永磁同步電機替代原驅(qū)動系統(tǒng)，可減少設(shè)備傳動環(huán)節(jié)，降低故障率，提高設(shè)備過載能力，消除突然起、停對設(shè)備和操作人員造成的危害。同時，直驅(qū)永磁系統(tǒng)利用變頻器變頻調(diào)速[5-10]，能夠提高停車定位精度、實現(xiàn)智能控制，為推車機系統(tǒng)軟起、軟停、遠程控制、集中控制提供更多可能性。

1 推車機的應用現(xiàn)場

1.1 原驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)要求

某火電廠的卸煤翻車機系統(tǒng)中的推車機采用兩臺異步電動機驅(qū)動，經(jīng)各自減速機帶動齒輪在齒條上行走，同時最多推動53節(jié)空車皮。兩臺異步電動機由一臺變頻器驅(qū)動。

異步電動機的主要參數(shù)：額定功率55 kW，額定轉(zhuǎn)速1480 r/min；減速機的主要參數(shù)：額定輸出轉(zhuǎn)矩12320 Nm，減速比35∶1。

1.2 現(xiàn)場運行情況分析

卸煤翻車機系統(tǒng)運行時，卸空的車皮由推車機推動，在旁邊的退出軌道上有序排列，每卸空一節(jié)車皮，推動該節(jié)空車皮排隊，再把整列向前推動一個車位。推車機的運行軌跡周期性循環(huán)，運行距離保持不變，每次比前一循環(huán)多推動一節(jié)空車皮。推車機的最大負載工況是推動53節(jié)空車皮前進一個車位：起動瞬間，車皮的受力由靜止摩擦力變?yōu)榛瑒幽Σ亮?，電機總電流最大，系統(tǒng)所受沖擊最大。

經(jīng)現(xiàn)場測試，采集相關(guān)運行數(shù)據(jù)，考慮現(xiàn)場實際運行情況，分析了推動50節(jié)車皮時，電機的電流數(shù)值變化，電流曲線如圖1所示。從圖中可以看出，1#和2#電機的電流偏差很大，加載時功率嚴重不平衡，1#電機過載運行，溫升高，影響電機壽命；2#電機欠載運行，效率低，造成電能浪費。

通過運行電流曲線分析，電機運行最小周期為210 s，其中停止狀態(tài)80 s，運行大部分時間為輕載，總電流均值為42 A；推動整列車時，電流最大值達到220 A。根據(jù)電機運行的特點，開發(fā)設(shè)計一款低速直驅(qū)永磁同步電機，利用永磁電機的高起動轉(zhuǎn)矩，高過載轉(zhuǎn)矩，就能滿足推動整列車的工況。由于電機大部分時間都處于停止和欠載運行，電機溫升不是主要矛盾，因此永磁電機采用自然冷卻方式。

2 低速直驅(qū)永磁同步電機設(shè)計

2.1 低速直驅(qū)永磁同步電機技術(shù)參數(shù)

綜合考慮運行工況，用永磁電機直驅(qū)替換“異步電機+減速機”的驅(qū)動系統(tǒng)，保持安裝方式不變，永磁電機直接通過法蘭立式安裝在減速機的安裝面上，施工簡單、便捷。由于取消了中間傳動機構(gòu)，系統(tǒng)效率得到提高。因此，利用永磁電機的高過載能力，可采用一臺低速直驅(qū)永磁同步電機替換兩臺異步電機驅(qū)動系統(tǒng)，直接驅(qū)動推車機運行?？紤]一定的安全裕量，選擇永磁電機的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 永磁電機的技術(shù)參數(shù)

2.2 低速直驅(qū)永磁同步電機設(shè)計

為了提高永磁電機的過載能力，充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，電機采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；永磁電機的額定轉(zhuǎn)速僅為42.3 r/min，為了防止永磁電機的額定頻率過低，而影響低速運行的平穩(wěn)性和增加變頻器的控制難度，永磁電機的極數(shù)盡可能增加；為了便于永磁體布置，磁極結(jié)構(gòu)選為切向式。

明確了電機的基礎(chǔ)磁路結(jié)構(gòu)，利用有限元軟件進行磁路仿真分析，不斷迭代優(yōu)化，獲得了滿足技術(shù)要求的設(shè)計方案。同時，為了保證電機的結(jié)構(gòu)強度和溫升可以滿足技術(shù)要求，還進行了相應的結(jié)構(gòu)仿真計算和溫度場仿真計算。

2.2.1 電磁仿真

利用有限元軟件對電機建模，進行有限元計算分析，優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)，選擇合適永磁體尺寸，確定永磁體的工作點，保證各種工況下永磁體不會退磁；同時，保證永磁電機獲得最佳的運行性能。電機磁密分布如圖2所示，磁力線分布如圖3所示。

圖2 電機磁密分布

圖3 電機磁力線分布

2.2.2 結(jié)構(gòu)仿真

為了保證轉(zhuǎn)子的機械強度，利用有限元軟件，對轉(zhuǎn)子沖片應力最大位置-轉(zhuǎn)子沖片槽間的隔磁磁橋，進行應力分析。在最大轉(zhuǎn)矩情況下進行計算，隔磁磁橋的最大應力遠遠小于材料的屈服強度，滿足設(shè)計要求，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子隔磁磁橋應力分析

2.2.3 溫度場仿真

為了分析電機的溫升情況，利用有限元軟件，計算最惡劣工況下，電機的溫度分布。定子繞組溫度分布如圖5所示，電機溫升的最高點在繞組的端部，最高溫升約為67.85K，定子繞組的平均溫升為60.23K，滿足絕緣等級要求。

圖5 定子繞組溫度分布

永磁體的溫度分布如圖6所示，轉(zhuǎn)子永磁體的最高溫升為35.63K，不會因為過熱造成永磁體的退磁?？紤]到電機的實際運行工況，大部分是停機和輕負載運行，電機的實際溫升將遠低于仿真結(jié)果。

圖6 永磁體溫度分布

2.2.4 電機基本結(jié)構(gòu)

最終，設(shè)計的低速直驅(qū)永磁同步電機的外形尺寸如圖7所示，電機通過法蘭，立式安裝。

圖7 永磁電機外形

3 現(xiàn)場試驗測試

根據(jù)上述設(shè)計方案，生產(chǎn)制造一臺樣機，安裝在現(xiàn)場進行試驗測試，現(xiàn)場安裝情況如圖8所示。

圖8 永磁電機安裝現(xiàn)場

現(xiàn)場試驗測試結(jié)果與仿真計算結(jié)果對比如表2所示，兩者具有較好的一致性。

表2 試驗測試結(jié)果與仿真計算結(jié)果對比

采用永磁電機直驅(qū)技術(shù)后，由一臺永磁電機驅(qū)動推車機，利用伺服控制器控制電機的起動和停止,通過變頻調(diào)速，保證推車機整個運行工況更平穩(wěn),減小對設(shè)備的機械沖擊,延長設(shè)備使用壽命。永磁電機運行電流曲線如圖9所示，從圖中可以看出，永磁電機的運行沖擊電流遠小于原異步電機驅(qū)動系統(tǒng)的電流，也消除了功率不平衡的隱患。永磁電機的設(shè)計方案滿足推車機使用需求，取得良好的運行效果，解決了原系統(tǒng)中存在的問題。

圖9 永磁同步電機運行電流曲線

4 結(jié) 語

針對推車機傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)“異步電機+減速機”，開發(fā)設(shè)計了低速直驅(qū)永磁同步電機，利用其高起動轉(zhuǎn)矩、高過載轉(zhuǎn)矩的特性，用直驅(qū)替代原有系統(tǒng)，使驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，噪聲低，提高驅(qū)動系統(tǒng)效率，減少能耗和維護量，降低故障率，延長設(shè)備使用壽命。利用變頻調(diào)速，還可以實現(xiàn)智能控制，優(yōu)化推車機的運行工藝，提高整個卸車系統(tǒng)的工作效率，值得推廣。

利用低速直驅(qū)永磁同步電機替換原系統(tǒng)還需考慮的問題：

(1)用一臺永磁電機替換兩臺異步電機驅(qū)動系統(tǒng)，單臺電機的轉(zhuǎn)矩增大，需校核聯(lián)結(jié)齒輪齒條的強度是否滿足要求。

(2)出于安全的考慮，系統(tǒng)要求有制動裝置，原系統(tǒng)制動器安裝在減速機的高速端，所需制動轉(zhuǎn)矩較小，而對于直驅(qū)電機，制動轉(zhuǎn)矩按減速比放大，需配備專門定制的制動器。

(3)原系統(tǒng)由兩臺電機驅(qū)動，若一臺出現(xiàn)問題，系統(tǒng)可以降容運行，系統(tǒng)冗余度高。