永磁同步电机在水泥厂中的应用

张江涛

1 引言

永磁同步电机作为一种新型节能电机，凭借其高效率、高功率因数、起动力矩大、温升低、噪声小等特性，以及节电、安全免维护、运转率高等优势，在煤矿业、橡胶业、风力发电、水力发电、电动汽车、轨道交通、船舶电力、医疗机械、采油等行业有着广泛的应用，但在水泥行业使用不多。永磁同步电机包括调速永磁同步电机、永磁无刷直流电机、异步启动永磁同步电机。文中所述永磁同步电机仅指调速永磁同步电机，多用于工业中大功率设备的驱动系统。笔者通过对比永磁同步电机与异步电机，总结出其他行业应用永磁同步电机设备的几个使用工况，结合水泥行业目前使用情况，对水泥厂各类设备适用性进行了初步的分析。

2 永磁同步电机与异步电机的对比（表1）

永磁同步电机具有如下特点及优点：

永磁同步电机与异步电机相比，如异步电机为高效电机，在满载时电机效率平均差2%（异步电机为普通电机时相差～5%），优势不明显；在半载时，电机效率平均差10%，有优势；在轻载时，异步电机效率至少会差15%～20%，而永磁同步电机的效率和功率因数受负载率的影响很小，具有宽的经济运行范围，相对异步电机而言，轻载时节电效果明显。永磁同步电机功率因数平均高达0.95～0.99，比常规高效电机的0.86～0.94高出5%～10%；空载电流低，以315kW电机为例，空载电流为2.5A，普通电机为10～20A（图1、图2）。

永磁同步电机与异步电机相比，起动扭矩大，可达到额定值的2.2倍，而普通异步电动机只能达到55%左右，因此选择时比传统异步电动机的功率要小。如传统需要90kW，而永磁直驱只需75kW或60kW，传动效率高，可达到92%以上（普通在83%左右）。传统传动在减速箱中间环节效率损失大，而永磁直驱无中间环节，效率损失主要在永磁体和变频器损耗上，同时也减少了传动维护的工作量和材料量。

表1 永磁同步电机与异步电机对比（异步电机为高效电机时）

图1 效率对比特性曲线

图2 功率因素对比特性曲线

永磁同步电机+变频器成本是异步电机+减速机（国产）的1.5～2倍；从节电效果与回收增加的成本来看，小电机节电数值大但占比很小，性价比不高；大电机节电数值小但占比较大，可以使用，节电效果及回收期取决于其使用工况（负载情况、变化周期、运行时间）。永磁同步电机的成本主要高在稀土永磁材料价格高和定子采用环氧树脂整体密封浇灌技术上（一般大型电机采用此技术）。

3 永磁同步电机适用的工况

根据永磁同步电机的特点及突出的优势，比较适合于低速大转矩、过载能力强、免维护运转率要求高、负荷变化大或负荷率相对较低的场合。具体如下：

（1）由于永磁同步电机每极的磁通值大，具有高过载能力及温升低的特点，适合于设备安全性、可靠性要求较高的领域，如：煤矿、电动汽车、轨道交通、电梯空调、医疗器械、船舶牵引等行业。

（2）由于永磁同步电机直驱免维护的特点，适用于高空中设备维护检修困难、成本高的地方，如：风力发电机及电力空冷岛风机。采用后，齿轮箱取消，可靠性提高，无需加润滑油，检修维护成本大幅降低。

（3）大功率的胶带机需要重载启动、经常轻载运行，采用传统驱动故障率高、能耗高时，适合改造为变频永磁同步电机或直接采用变频永磁同步电机，以提高设备可靠性及节能降耗，例如煤矿长距离、功率大的胶带机已大范围采用。某煤矿企业，350m胶带机，输送能力1 200t/h，原配置传动为软启+减速机+异步电机3×200kW，由于启动电流大、过载能力差，升级改造为永磁直驱系统，配置功率单台400kW，使用后电流降低38.8%，无功功率减小81.7%，节电率～30%。

（4）由于永磁电机无定子绕组、无磁力切割、低转速时磁场强度高，适合于设备长期低速运行的工况，如：球磨机和辊磨，使用后可以实现满载启动，永磁电机的多级数转速低、起动转矩大、噪音低、体积小、节电、免维护等优势也得以发挥。例如，某集团一水泥分厂球磨机配置2 500kW中心传动永磁直驱系统，至今已运行半年多，相比使用永磁直驱系统前，传动电耗降低～5%，传动故障率降低，运转率提高。该集团另一分厂生料辊磨传动2 600kW，减速机+电机更换为永磁直驱系统后，磨机转速27r/min时，节电不明显，转速29r/min时，产量提高8%，电耗降低0.3kWh/t，每年减少润滑油消耗约5万元。

4 水泥厂各类设备使用永磁电机的经济适用性分析

4.1 胶带机

矿山、码头或厂区大功率（≥75kW）长输送胶带机经常需要带载启动，且经常在中低负荷运行时，建议采用永磁电机。使用后可以实现带料启动，节电也会较为显著。

4.2 破碎机

石灰石破碎机经常设置在矿山，运行工况恶劣，需要重载启动时要求启动转矩大，可以有条件地采用永磁电机，以保证设备长期稳定运行，同时减少维护工作量。其他能力较小、设置在厂区的破碎机，使用永磁直驱性价比不高。

4.3 提升机

入窑斗式提升机是窑喂料的关键设备，可靠性要求高，传动在高空检修难度大，建议采用永磁电机。其他斗式提升机可以根据运行故障率有选择地使用，如辊压机系统斗式提升机等。

4.4 球磨机

球磨机传动若采用永磁电机，会带来厂房及设备基础减小、土建工程量减小、电缆减少、维护成本减小、噪声小、降噪设施成本降低等影响，但这些成本的节省是否可以部分抵消电机设备增加的成本，需要综合评估；此外，需要调研节电效果，核算电机增加成本的回收期，在以上基础上考虑采用。如国外项目中业主要求采用进口减速机，设备成本与永磁电机+变频器差不多时，应建议业主采用。

4.5 辊磨

已有几台辊磨传动采用永磁电机，有一定节电效果，驱动可靠性增加，可以有选择地采用。磨机运行稳定后基本不用调速，采用变频主要是启动考虑，而变频器自身也耗能3%～5%。建议永磁电机厂可与主机设备供货商一起开发半直驱启动系统，即采用一级齿轮加永磁电机，取消变频器，降低设备成本，可靠性提高又可节能。

4.6 辊压机

辊压机传动采用永磁电机国内尚无使用先例，其驱动也是低速大转矩，根据球磨机中心传动使用情况来看，应该也可以用，但辊压机设备机械结构需要重新设计，需要进行成本及收益分析。

4.7 大风机

工艺大风机本身就是直驱，而且大部分都配置变频器，采用永磁电机节电效果有限，不建议采用。

4.8 其他小电机

如采用永磁电机，会有节电效果但电耗占比太小，或设备本身使用频率不高，如检修设备电机等，使用后性价比不高，不推荐采用。

4.9 空压机

水泥厂空压机电耗占比较小，不到全厂电耗的3%，大规格空压机本身也是直驱，不少厂也采用变频，改造为永磁直驱性价比不高。

4.1 0 水泵

水泵驱动系统国内部分钢厂节能改造用过，据有关资料所述可节电25%；水泥厂水泵电耗占比较小，不到全厂电耗的1%，不少厂也采用变频，改造为永磁直驱性价比不高。

4.1 1 变频器

永磁电机一般都需要搭配变频器使用，变频器控制系统需适应变频电机的运行，两者应协调一致，不然会影响使用效果。变频器的质量会影响驱动系统的可靠性，选用时需重点加以关注。使用变频器时要考虑其自身占用电力室的空间，还要增加通风散热，若大范围使用更要综合考虑。

此外，在水泥厂大功率传动上使用永磁同步电机除了本身设备的节电，也可以降低噪声源的噪声，还可以改善线路和电网的损耗。

5 结语

设备高效节能、安全、免维护是工业企业进行设备升级改造追求的目标之一。随着永磁电机标准的推出、永磁材料的革新、成本的下降和电机设计制造技术的提升，其应用将会更广泛。

[1]邹丽.稀土永磁电机在起重机行业的应用研究[J].起重运输机械，2014，（8）.

[2]王秀和，等.永磁电机[M].北京：中国电力出版社，2007.■