劉 偉

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

0 引 言

推車(chē)機(jī)是發(fā)電廠、選煤廠、鋼鐵廠、碼頭等現(xiàn)場(chǎng)選用翻車(chē)機(jī)卸車(chē)作業(yè)時(shí)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(chē)牽引到一定的位置上。此外，它也可以單獨(dú)作為調(diào)車(chē)設(shè)備使用，用于其它需要調(diào)動(dòng)車(chē)輛并準(zhǔn)確將車(chē)輛定位的場(chǎng)合。

推車(chē)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分多采用“異步電機(jī)+減速機(jī)”的方式，傳動(dòng)環(huán)節(jié)多，系統(tǒng)效率低，能耗大。推車(chē)機(jī)需要很大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這使起動(dòng)電流過(guò)大，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，而且其負(fù)載是大慣性負(fù)載，機(jī)械沖擊較大，造成機(jī)械設(shè)備使用壽命縮短，運(yùn)行可靠性降低[3-4]。另外推車(chē)機(jī)要求準(zhǔn)確定位，操作人員靠經(jīng)驗(yàn)操作，操作起來(lái)有一定難度，而且定位效果不理想。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)低速直驅(qū)永磁同步電機(jī)替代原驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可減少設(shè)備傳動(dòng)環(huán)節(jié)，降低故障率，提高設(shè)備過(guò)載能力，消除突然起、停對(duì)設(shè)備和操作人員造成的危害。同時(shí)，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(chē)定位精度、實(shí)現(xiàn)智能控制，為推車(chē)機(jī)系統(tǒng)軟起、軟停、遠(yuǎn)程控制、集中控制提供更多可能性。

1 推車(chē)機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

1.1 原驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求

某火電廠的卸煤翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)中的推車(chē)機(jī)采用兩臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)各自減速機(jī)帶動(dòng)齒輪在齒條上行走，同時(shí)最多推動(dòng)53節(jié)空車(chē)皮。兩臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)由一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)。

異步電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)：額定功率55 kW，額定轉(zhuǎn)速1480 r/min；減速機(jī)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(chǎng)運(yùn)行情況分析

卸煤翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，卸空的車(chē)皮由推車(chē)機(jī)推動(dòng)，在旁邊的退出軌道上有序排列，每卸空一節(jié)車(chē)皮，推動(dòng)該節(jié)空車(chē)皮排隊(duì)，再把整列向前推動(dòng)一個(gè)車(chē)位。推車(chē)機(jī)的運(yùn)行軌跡周期性循環(huán)，運(yùn)行距離保持不變，每次比前一循環(huán)多推動(dòng)一節(jié)空車(chē)皮。推車(chē)機(jī)的最大負(fù)載工況是推動(dòng)53節(jié)空車(chē)皮前進(jìn)一個(gè)車(chē)位：起動(dòng)瞬間，車(chē)皮的受力由靜止摩擦力變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦力，電機(jī)總電流最大，系統(tǒng)所受沖擊最大。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，采集相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，分析了推動(dòng)50節(jié)車(chē)皮時(shí)，電機(jī)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(jī)的電流偏差很大，加載時(shí)功率嚴(yán)重不平衡，1#電機(jī)過(guò)載運(yùn)行，溫升高，影響電機(jī)壽命；2#電機(jī)欠載運(yùn)行，效率低，造成電能浪費(fèi)。

通過(guò)運(yùn)行電流曲線分析，電機(jī)運(yùn)行最小周期為210 s，其中停止?fàn)顟B(tài)80 s，運(yùn)行大部分時(shí)間為輕載，總電流均值為42 A；推動(dòng)整列車(chē)時(shí)，電流最大值達(dá)到220 A。根據(jù)電機(jī)運(yùn)行的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一款低速直驅(qū)永磁同步電機(jī)，利用永磁電機(jī)的高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，高過(guò)載轉(zhuǎn)矩，就能滿(mǎn)足推動(dòng)整列車(chē)的工況。由于電機(jī)大部分時(shí)間都處于停止和欠載運(yùn)行，電機(jī)溫升不是主要矛盾，因此永磁電機(jī)采用自然冷卻方式。

2 低速直驅(qū)永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 低速直驅(qū)永磁同步電機(jī)技術(shù)參數(shù)

綜合考慮運(yùn)行工況，用永磁電機(jī)直驅(qū)替換“異步電機(jī)+減速機(jī)”的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，保持安裝方式不變，永磁電機(jī)直接通過(guò)法蘭立式安裝在減速機(jī)的安裝面上，施工簡(jiǎn)單、便捷。由于取消了中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)效率得到提高。因此，利用永磁電機(jī)的高過(guò)載能力，可采用一臺(tái)低速直驅(qū)永磁同步電機(jī)替換兩臺(tái)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，直接驅(qū)動(dòng)推車(chē)機(jī)運(yùn)行?？紤]一定的安全裕量，選擇永磁電機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 永磁電機(jī)的技術(shù)參數(shù)

2.2 低速直驅(qū)永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)

為了提高永磁電機(jī)的過(guò)載能力，充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，電機(jī)采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；永磁電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速僅為42.3 r/min，為了防止永磁電機(jī)的額定頻率過(guò)低，而影響低速運(yùn)行的平穩(wěn)性和增加變頻器的控制難度，永磁電機(jī)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(jī)的基礎(chǔ)磁路結(jié)構(gòu)，利用有限元軟件進(jìn)行磁路仿真分析，不斷迭代優(yōu)化，獲得了滿(mǎn)足技術(shù)要求的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，為了保證電機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和溫升可以滿(mǎn)足技術(shù)要求，還進(jìn)行了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算和溫度場(chǎng)仿真計(jì)算。

2.2.1 電磁仿真

利用有限元軟件對(duì)電機(jī)建模，進(jìn)行有限元計(jì)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(diǎn)，保證各種工況下永磁體不會(huì)退磁；同時(shí)，保證永磁電機(jī)獲得最佳的運(yùn)行性能。電機(jī)磁密分布如圖2所示，磁力線分布如圖3所示。

圖2 電機(jī)磁密分布

圖3 電機(jī)磁力線分布

2.2.2 結(jié)構(gòu)仿真

為了保證轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度，利用有限元軟件，對(duì)轉(zhuǎn)子沖片應(yīng)力最大位置-轉(zhuǎn)子沖片槽間的隔磁磁橋，進(jìn)行應(yīng)力分析。在最大轉(zhuǎn)矩情況下進(jìn)行計(jì)算，隔磁磁橋的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子隔磁磁橋應(yīng)力分析

2.2.3 溫度場(chǎng)仿真

為了分析電機(jī)的溫升情況，利用有限元軟件，計(jì)算最?lèi)毫庸r下，電機(jī)的溫度分布。定子繞組溫度分布如圖5所示，電機(jī)溫升的最高點(diǎn)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(mǎn)足絕緣等級(jí)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(huì)因?yàn)檫^(guò)熱造成永磁體的退磁?？紤]到電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，大部分是停機(jī)和輕負(fù)載運(yùn)行，電機(jī)的實(shí)際溫升將遠(yuǎn)低于仿真結(jié)果。

圖6 永磁體溫度分布

2.2.4 電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

最終，設(shè)計(jì)的低速直驅(qū)永磁同步電機(jī)的外形尺寸如圖7所示，電機(jī)通過(guò)法蘭，立式安裝。

圖7 永磁電機(jī)外形

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，生產(chǎn)制造一臺(tái)樣機(jī)，安裝在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)安裝情況如圖8所示。

圖8 永磁電機(jī)安裝現(xiàn)場(chǎng)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表2所示，兩者具有較好的一致性。

表2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比

采用永磁電機(jī)直驅(qū)技術(shù)后，由一臺(tái)永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)推車(chē)機(jī)，利用伺服控制器控制電機(jī)的起動(dòng)和停止,通過(guò)變頻調(diào)速，保證推車(chē)機(jī)整個(gè)運(yùn)行工況更平穩(wěn),減小對(duì)設(shè)備的機(jī)械沖擊,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。永磁電機(jī)運(yùn)行電流曲線如圖9所示，從圖中可以看出，永磁電機(jī)的運(yùn)行沖擊電流遠(yuǎn)小于原異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電流，也消除了功率不平衡的隱患。永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)方案滿(mǎn)足推車(chē)機(jī)使用需求，取得良好的運(yùn)行效果，解決了原系統(tǒng)中存在的問(wèn)題。

圖9 永磁同步電機(jī)運(yùn)行電流曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)推車(chē)機(jī)傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)“異步電機(jī)+減速機(jī)”，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了低速直驅(qū)永磁同步電機(jī)，利用其高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高過(guò)載轉(zhuǎn)矩的特性，用直驅(qū)替代原有系統(tǒng)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，噪聲低，提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率，減少能耗和維護(hù)量，降低故障率，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。利用變頻調(diào)速，還可以實(shí)現(xiàn)智能控制，優(yōu)化推車(chē)機(jī)的運(yùn)行工藝，提高整個(gè)卸車(chē)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(jī)替換原系統(tǒng)還需考慮的問(wèn)題：

(1)用一臺(tái)永磁電機(jī)替換兩臺(tái)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，單臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩增大，需校核聯(lián)結(jié)齒輪齒條的強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求。

(2)出于安全的考慮，系統(tǒng)要求有制動(dòng)裝置，原系統(tǒng)制動(dòng)器安裝在減速機(jī)的高速端，所需制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，而對(duì)于直驅(qū)電機(jī)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩按減速比放大，需配備專(zhuān)門(mén)定制的制動(dòng)器。

(3)原系統(tǒng)由兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，若一臺(tái)出現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)可以降容運(yùn)行，系統(tǒng)冗余度高。