永磁直驱电动滚筒结构设计.pdf

造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 装备及自动化装备及自动化21摘要：永磁电机驱动滚筒具备高效节能、直驱控制调速、高精度等优点，文章通过深入开展永磁电机技术在电动滚筒上的应用研究，提出将传统的电动机、联轴器、减速机以及驱动滚筒整合组成一个驱动组的结构设计方案，借助 Solidworks 软件建立定子和转子模型进行优化设计，该结构设计方案有效提高了系统可靠性，缩短了传动链，提高了效率，降低了故障率，具有广泛的应用前景。关键词：永磁直驱电动滚筒；永磁直驱电机；外转子永磁电机；皮带输送机；低速大转矩；表贴式磁路结构分类号：TM351在工业电力拖动系统中，传统的传动方式涉及电动机、联轴器（或液力耦合器）、减速器以及滚筒等组件。这种典型设备配置存在传动效率较低、运行维护工作量大、成本高、设备布置所需空间大、工程投资大等诸多问题。目前，永磁内装式低速大扭矩大功率防爆电动滚筒被视为工业传动设备的发展趋势，它集成了永磁电机技术、半导体变流技术以及自动化控制技术，是一种高效节能、机电一体化的高新技术设备，同时也符合我国当前的节能减排产业政策，体现了技术创新的价值。该设备可广泛应用于矿山、化工、钢铁、发电、水泥、港口及其他工业场所1。1 永磁直驱电机设计方案传统的三相异步电动机+减速机+联轴器+液力耦合器的驱动方式在工业生产使用的皮带机输送系统中较为常见2。这种传统的机械传动方式主要是通过电动机和减速机相连来降低速度，然后通过滚筒驱动皮带进行物料输送。然而，这种传动方式存在许多问题。（1）由于传动链太长，环节众多，使系统的传递效率非常低。（2）在传动过程中会产生剧烈振动和很大的噪声。如果输送的物料质量过重，启动就会变得困难，容易出现压死皮带的事故。一旦发生这种情况，需要人工清理皮带机上的积煤等物料，耗费时间和劳动力，严重延缓正常的生产进程。（3）采用传统传动方式的设备在运行时，会有很大的电流通过，即使设备在空载或者轻载运行状态下，也会达到额定功率的 35%以上，而目前我国正在大力推行节能减排政策，传统驱动方式不符合国家节能减排的总体要求。外转子永磁直驱系统由外转子永磁直驱电机+变频控制器构成，该永磁直驱系统具备实现带式运输机直驱的能力。与传统的感应电动机相比较，永磁同步电动滚筒采用永磁体提供励磁，不需要无功励磁电流，从而减少了定子电流和定子损耗，功率因数显著提高。同时，永磁同步电动机在稳定运行时没有转子电阻损耗，总损耗较低，永磁同步电动机的效率相比同规格的感应电动机可以提高 15%左右，节能效果显著3。将原驱动系统改造为外转子永磁直驱系统，只需拆除三相异步电动机、减速机、联轴节及胶带滚筒这些皮带输送机原有的驱动装置，在设备原位置上增加垫片，根据设备大小重新调整安装尺寸，然后安装永磁同步变频电动滚筒和配套的变频柜，这样就完成了永磁同步变频电动滚筒的改造升级，整个改造过程简单便捷。改造后的永磁同步变频电动滚筒显著降低了安装施工的空间需求，通过精简传动链实现了连接方式的简化，节能优势显著提高，具有极大的经济价值4。2 永磁直驱电机的结构设计2.1 定子结构外转子永磁同步电动机的特点是外动内不动，转永磁直驱电动滚筒结构设计*丁 慧1，2，3，张凤营1，3，李自强1，3，田明瑜1，3，韩宇平1，3，夏明娜1，31.唐山职业技术学院，河北 唐山 0630002.辽宁工程技术大学 机械学院，辽宁 阜新 1230003.唐山市永磁电机应用技术创新中心，河北 唐山 063000文章编号：2096-3092（2024）02-0021-03*基金项目：河北省高等学校科学技术研究项目“永磁电机在电动滚筒上的应用研究”（QN2023252）作者简介：丁慧，女，硕士，讲师，研究方向为机械系统建模与仿真、机械制造及其自动化。装备及自动化 装备及自动化 2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料22子在外可以旋转，内部的定子和轴是固定的，与常见的外定子结构不一样，内定子由硅钢片叠成，其线圈槽开在铁芯圆周的外侧，外转子永磁电机定子铁芯如图 1 所示。图 1 外转子永磁电机定子铁芯外转子永磁同步电动机的定子绕组与普通的永磁电机一样也是按三相规律分布，嵌放在定子铁芯的槽内，由于电机为多极结构，采用真分数槽集中绕组，绕组的跨距为 1，且为上下层结构5。2.2 转子结构永磁同步电动机的外转子与定子轴上的旋转轴承连接的端盖一起旋转6。永磁电机的磁路结构主要有表面式、内置径向式和切向式、内置混合式等四种磁路结构。依据不同磁路结构的优缺点，同时结合造价成本、制造工艺水平以及永磁电机性能等多方面因素，文章设计的电机转子采用表贴式磁路结构，电机的转子轭部直接采用导磁性能良好的钢板卷制而成，在转子轭滚筒的内侧固定有钕铁硼材料做成的永磁体，永磁体采用非导磁不锈钢压条和乐泰胶双重固定方法，外转子永磁直驱电机的转子结构如图 2 所示。图 2 外转子永磁直驱电机的转子结构2.3 冷却水道结构为了提高电机的转矩密度，同时确保外转子永磁电机的冷却效果，外转子永磁电机采用水冷的冷却方式，按照冷却水的流通路径，常见的冷却水套可以分为两种型式：一种是周向流通式冷却水套，另一种是轴向流通式冷却水套7。周向冷却水套和轴向冷却水套分别如图 3、图 4 所示。图 3 周向冷却水套图 4 轴向冷却水套周向冷却水套的主要优点包括系统流阻小、冷却水与电机的接触面积大等，其缺陷主要为螺旋式结构加工难度较大。另外，长径较大的电机温度沿轴向分布不均匀。轴向冷却水套的优点包括结构工艺简单，轴向的筋板数量多可以帮助散热，其主要缺陷是“S”形流通路径使系统流阻大幅增加。文章设计的冷却水套采用周向水道结构，在电机定子铁芯与支撑圈之间设置有周向螺旋水道，进出水口从电机一侧轴端中心孔引出，而电机定子引接线从另一侧的轴端中心孔引出，并引至轴端面的接线盒内。为了保障外转子电机的负荷能力，防止皮带打滑，在外转子滚筒的外侧设有进口冷粘橡胶；为了保障外传子永磁电机的制动能力和可靠性，在出水侧轴承的外侧设有逆止器，防止电机反转，电机的两侧端盖延伸出端板用于机械抱闸，确保皮带的可靠停车，防止皮带打滑。外转子永磁直驱电机通过轴两端的支撑座固定在支撑架上8。2.4 整体装配结构文章设计的外转子永磁电动滚筒，包括机座、转子装配、定子装配和定子轴，机座的外部设有滚筒，机座的两端上分别设有上端盖和下端盖；转子装配和定子装配均安装在所述机座的内部，定子装配安装在所述转子装配的内侧，定子轴安装在定子装配的内部，定子装配的两端分别设有调心滚子轴承；定子轴的一端造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 装备及自动化装备及自动化23设有接线盒部，定子轴的另一端设有冷却水进出通道，冷却水道一端的定子轴上设有逆止器，逆止器和冷却水道一端的调心滚子轴承均通过逆止器封盖安装在下端盖上；冷却水道一端的定子轴末端设有轴承压盖9。靠近接线盒部的调心滚子轴承的外部设有轴承外盖和轴承内盖。轴承外盖和轴承内盖均通过第一内六角圆柱头螺钉固定在上端盖上。逆止器封盖通过第二内六角圆柱头螺钉安装在下端盖上。在接线盒部位与邻近接线盒的一端的调心滚子轴承之间，以及轴端压盖与邻近轴端压盖的调心滚子轴承之间，均设置有支撑座。滚筒的内壁上均匀焊接有磁钢压条，接线盒部包括接线盒和温度传感器盒，接线盒的内部设有接线端子，接线端子通过接线端子安装板固定在接线盒的内部；温度传感器盒的内部设有温度传感器端子板，温度传感器端子板通过组合式接线端子与设备内部相连接。接线盒应通过接线盒盖进行封盖，而温度传感器盒则需通过温度传感器端子板盒盖进行封盖10。冷却水道包括进水管组件、出水管组件、定子水道安装圈和分瓣定子冲片，分瓣定子冲片安装在定子水道安装圈的外部，进水管组件和出水管组件的一端均贯穿到定子轴的内部并通过水道通管延伸至外界，进水管组件和出水管组件的另一端分别连接在定子水道安装圈上。分瓣定子冲片通过定子压圈压紧。外转子永磁电机总装配图如图 5 所示。图 5 外转子永磁电机总装配图3 结束语文章针对电动滚筒的结构进行了创新设计，主要创新之处在于定转子设计，其中定子主轴采用空心结构，并划分为两个腔体。第一个腔体主要用于容纳定子三相电源线和测温传感外引线，第二个腔体则用于容纳定子绕组以及滚筒内部的散热循环冷却水，这种独特的结构使电动滚筒外形尺寸满足了工业现场要求。利用永磁同步电机技术和变频技术能大幅提高电动滚筒效率。电动滚筒组成的传动系统与普通异步电动机组成的传动系统相比特点如下：（1）设备配置大幅精简，取代了电机、减速器、液力耦合器等，释放了大量空间，降低了设备基础的土建工程需求，对于矿山井下环境，减少了巷道工程量，从而节省了工程项目初期的投资。（2）现场机电设备的运行维护量大幅降低，系统维护简单，节省人力、维修材料，系统故障率低，生产事故减少。（3）由于系统配置简单，该永磁电滚筒传动系统效率与传统系统效率相比可提高 20%30%，减少电力消耗。参考文献1 曾祥彪.基于准Z源逆变器的永磁同步电机驱动系统复合滑模控制J.造纸装备及材料,2024,53(1):10-14.2 苗继军.永磁直驱滚筒在带式输送机中的应用研究J.工矿自动化,2023,49(增刊1):67-68,75.3 马红荣,刘洪伟,牟宗磊.矿用永磁直驱电机异响声信号降噪方法研究J.电子测量与仪器学报,2023,37(4):44-53.4 吴青松,厉伟,张威,等.高温高压直驱电动阀门屏蔽式永磁电机结构研究J.机电工程,2022,39(11):1510-1518.5 柴慧敏.车用轮毂永磁直驱电机动态性能研究D.哈尔滨:哈尔滨理工大学,2022.6 陈青.Motorcad在矿用永磁直驱一体机中的应用J.煤炭技术,2022,41(5):229-231.7 李华祥,张志和,刘鹏,等.大功率永磁直驱技术优势及技术难点的深入研究J.铁道机车车辆,2020,40(4):50-53,93.8 李媛.基于虚拟同步控制策略的永磁直驱风电系统研究D.兰州:兰州理工大学,2020.9 许剑波.永磁电机直联式驱动系统设计与应用J.机电工程技术,2021,50(6):263-26510 孙洁,关世海.永磁同步电动机的节能计算J.上海大中型电机.2021(2):10-12,53.