新型直驅電機的開發(fā)及其在飲料輸送線中的應用

金杰峰，王立強，樓向明，葉 鵬

(杭州娃哈哈集團有限公司，浙江杭州 310020)

0 引 言

在各類輕工業(yè)品自動化流水生產線中普遍使用的驅動裝置是異步電機減速機系統(tǒng)，即使用小功率的三相異步電機經減速機減速并提高轉矩后驅動各類設備。飲料輸送線中大量使用的是3 kW以下的三相異步電機，其效率一般都低于80%［1］。而驅動裝置的選型原則是等級靠大不靠小，一般飲料輸送線配置的電機均有20% ～45%容量富余［2］，即電機運行時的實際輸出功率為額定功率的80%以下，使其效率進一步下降。減速機方面，飲料輸送線上使用的減速機多為蝸輪蝸桿減速機，其效率一般也低于80%。因此，目前廣泛使用的飲料輸送線驅動裝置的實際效率往往低于50%。若能采用低轉速大轉矩高效直驅電機替換現(xiàn)有的異步電機減速機裝置直接驅動輸送線，則可以大大提高系統(tǒng)效率。

在慕尼黑Drinktec 2009展覽會上，德國海富公司展出了世界首創(chuàng)物料輸送帶直驅系統(tǒng)—Beetec直驅電機，去除了減速機傳動機構，比傳統(tǒng)驅動系統(tǒng)節(jié)能30%［3］，但是直至目前尚無成熟產品銷售。而目前國內外市場上銷售的直驅電機產品基本都為大功率或高精度伺服電機，不適用于飲料輸送線。

因此，針對飲料輸送線的驅動需要，本研究開發(fā)一款新型永磁同步直驅電機，并在飲料瓶輸送帶上進行試用。

1 驅動系統(tǒng)的需求分析

飲料瓶輸送帶的典型結構如圖1所示。

該輸送帶主要由鏈輪、鏈板、支撐機架和驅動裝置組成。鏈板頭尾連接形成環(huán)狀套在兩個鏈輪上，且背面有齒槽可與鏈輪上的齒相配合。鏈輪分為主動輪和被動輪，輸送帶運行時，驅動裝置驅動主動輪轉動，使鏈板做直線運動，從而帶動鏈板上的飲料瓶前進。

圖1 鏈板輸送帶示意圖

根據(jù)物理原理，輸送帶勻速運動時，驅動輸送帶主動輪所需的轉矩為:

式中:F—鏈輪對鏈板的拉力，R—鏈板繞鏈輪轉動的半徑。

由于飲料瓶輸送帶一般都為勻速運行且水平運動，鏈輪對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)。

當輸送帶正常運行時，飲料瓶與鏈板之間沒有相對滑動，則:

當輸送帶出現(xiàn)堵塞情況時，鏈板繼續(xù)運動而飲料瓶無法前進，即飲料瓶與鏈板之間有相對滑動，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。

對于單道運行的輸送帶而言，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，d=0。

當輸送帶以速度v勻速運動時，驅動輸送帶所需的功率:

驅動軸的轉速:

以INTRALOX?公司的鏈板為例，其輸送帶長為10 m，鏈板繞鏈輪轉動的半徑R=81 mm，鏈板重量MW≈33 kg。在輸送帶潤滑情況下，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，根據(jù)以上公式，計算驅動輸送帶所需的轉矩、功率和轉速如表1所示。

表1 輸送帶驅動裝置理論參數(shù)估算值

上述計算是比較理想的狀況，在輸送帶實際運轉過程中，輸送帶受各種大小和性質不同的載荷作用，處在極其復雜的受力狀態(tài)下［5］。所以實際驅動系統(tǒng)所需的轉矩和功率大于計算結果。另外，還需考慮到實際應用需要預留的余量，最終確定需要開發(fā)的直驅電機基本參數(shù)如下:

2 直驅電機的設計

由于永磁同步電機具有體積小、重量輕、效率高、功率因數(shù)高、結構簡單、可靠性高等一系列優(yōu)點［6-7］，直驅電機采用了交流永磁同步技術。

對于永磁同步電機，其轉速:

式中:f—電機的額定頻率，p—電機的極對數(shù)。

由式(10)可以看出，電機的轉速與電機的極數(shù)成反比，與電源的頻率成正比。因此，為了降低電機的額定轉速，可以在電機設計時，增加電機極數(shù)或降低電機的額定頻率。考慮到電機低頻方面的低限問題，使得通過采用降低額定頻率來實現(xiàn)低速目的的方法具有一定的局限性［8］。本研究在直驅電機設計時，采用了增加電機極數(shù)的方法，并最終確定電機的頻率和極對數(shù)為:

額定頻率:fN=80 Hz;

極對數(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，回復線與退磁曲線基本重合，且性價比高，特別適用于永磁電機［9-10］。因此，該設計選用了牌號為N35SH的釹鐵硼為電機的永磁體材料。

直驅電機的設計過程與一般永磁同步電機的設計過程相同，只是需要根據(jù)直驅電機低速大轉矩的特點選擇合適的參數(shù)。主要設計步驟如下:

(1)直驅電機主要尺寸的初定，即根據(jù)直驅電機的額定參數(shù)和相關電機的經驗參數(shù)初步確定電機的主要尺寸，包括永磁體尺寸、氣隙長度、定轉子內外徑和軸向長度、定子槽數(shù)和極距等結構尺寸。直驅電機極數(shù)較多，使得電機直徑較大，而長度較短，即為粗短型。因此電機設計時，長徑比需比一般永磁同步電機小，該設計中的長徑比選為0.25左右。

(2)直驅電機的電磁設計與計算。電磁設計是電機設計的核心部分，需要根據(jù)永磁同步電機的理論建立等效電磁模型，然后進行繞組參數(shù)計算、磁路計算、電路參數(shù)計算和電機特性的綜合計算，最終得出電機的各項參數(shù)并修正電機主要尺寸數(shù)據(jù)。由于直驅電機要求低速運行并輸出大轉矩，電機設計時應盡可能地提高轉矩密度。該設計采用分數(shù)槽，并選擇了較大的電磁負荷。

永磁同步電機的設計方法已經相當成熟，具體設計方法可參考文獻［11-13］，本研究不再詳述，只給出電機的最終設計結果。直驅電機的各項主要參數(shù)如表2所示，電機示意圖如圖2所示。

表2 直驅電機主要參數(shù)

圖2 直驅電機示意圖

3 直驅電機的測試與試用

根據(jù)直驅電機的設計結果，本研究試制了一臺樣機，并對其進行了必要的測試，以驗證電機是否達到設計要求。

測試時，由測功機對直驅電機進行加載，而在電機輸出軸與測功機之間串接扭矩傳感器以測得電機輸出的實際轉矩，并加裝高精度旋轉編碼器測試電機的實際轉速，從而計算電機的實際輸出功率。直驅電機由高性能變頻器驅動，以無傳感控制方式實現(xiàn)變頻啟動和調速，并由變頻器的輸出數(shù)據(jù)直接得到電機的輸入功率。直驅電機測試系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 直驅電機測試系統(tǒng)示意圖

由輸入功率和輸出功率即可計算直驅電機的效率，測試所得直驅電機在不同輸出扭矩時的轉速—效率曲線如圖4所示。由圖可得直驅電機在設計的額定轉速(300 r/min)和額定負載轉矩(40 N·m)時，效率約為83%，而最大效率可達85%左右，說明直驅電機是符合設計要求的。而直驅電機負載和轉速較低時，其效率有較大程度的下降。

圖4 直驅電機轉速效率曲線圖

為了檢驗直驅電機的節(jié)能效果，本研究搭建了一段10 m長的實驗輸送帶，分別安裝現(xiàn)有的異步電機減速機裝置和直驅電機作為驅動裝置，并進行能耗對比。其中異步電機按照設計慣例功率為1.1 kW，實際安裝情況如圖5所示。

輸送帶上實際放置100瓶飲料，每瓶飲料重量約0.53 kg，分別模擬輸送帶空轉、正常運行和堵塞運行3種不同工況。異步電機和直驅電機由同一款變頻器驅動，并分別讀出兩種電機的實際輸入功率;在驅動軸上安裝扭矩傳感器實測驅動裝置的轉速和輸出轉矩，并計算其實際輸出功率;實際輸出功率與實際輸入功率相除即可得出系統(tǒng)效率。測試結果如表3所示。

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

圖5 驅動裝置安裝圖

表3 直驅電機與異步電機減速機裝置效率對比

4 結束語

新型直驅電機通過改變電機結構，并采用永磁技術，以降低轉速，提高轉矩密度，使其在小功率狀態(tài)下輸出較大轉矩，去除了減速機等中間傳動環(huán)節(jié)，大大提高了驅動系統(tǒng)的效率。該直驅電機發(fā)熱少，無需冷卻和潤滑，降低了維護成本，并有利于保持清潔衛(wèi)生的生產環(huán)境。測試和試用結果表明，該直驅電機效率較高，節(jié)能效果顯著，具有廣闊的推廣應用前景。

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