噴氣織機(jī)用永磁同步電機(jī)直驅(qū)裝置的開發(fā)

吉學(xué)齊

(山東日發(fā)紡織機(jī)械有限公司，山東 聊城 252000)

0 引言

噴氣織機(jī)采用壓縮空氣進(jìn)行引緯，具有速度快、效率高、織物風(fēng)格好等優(yōu)點(diǎn)，是織造領(lǐng)域的主流生產(chǎn)設(shè)備。近年來噴氣織機(jī)在提高速度、降低能耗、提升自動(dòng)化水平等方面有了較大發(fā)展，其中降低能耗是噴氣織機(jī)重要的研究課題。噴氣織機(jī)能耗由壓縮空氣能耗與織機(jī)自身電耗兩部分組成，其中織機(jī)電機(jī)是影響自身能耗的重要因素。

1 主傳動(dòng)的作用及形式

噴氣織機(jī)主傳動(dòng)的作用，是將主傳動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞給織機(jī)主軸及相關(guān)運(yùn)動(dòng)部件，實(shí)現(xiàn)織機(jī)各種動(dòng)作?？棛C(jī)主傳動(dòng)應(yīng)具備：① 啟動(dòng)迅速，在第1次打緯時(shí)，織機(jī)車速就應(yīng)達(dá)到或接近正常運(yùn)轉(zhuǎn)的速度；② 制動(dòng)平穩(wěn)、快捷，停車位置準(zhǔn)確，符合工藝和操作要求，有利于重新開車啟動(dòng)；③ 操作方便，既有正常啟動(dòng)、制動(dòng)功能，也可實(shí)現(xiàn)某些特殊操作，如慢車、手動(dòng)正反向點(diǎn)動(dòng)等功能；④ 結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定。

各型號(hào)噴氣織機(jī)因其總體布局以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同，有不同的傳動(dòng)系統(tǒng)及啟動(dòng)、制動(dòng)系統(tǒng)。噴氣織機(jī)主傳動(dòng)形式目前有兩種：一種是超啟動(dòng)三相異步電機(jī)，通過皮帶、帶輪，配合電磁制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)織機(jī)的傳動(dòng)，這種形式以津田駒、豐田等日系噴氣織機(jī)為主，國(guó)產(chǎn)噴氣織機(jī)也是此種結(jié)構(gòu)；另一種采用開關(guān)磁阻電機(jī)，通過齒輪減速后實(shí)現(xiàn)織機(jī)啟動(dòng)，電機(jī)反向通電后產(chǎn)生制動(dòng)力實(shí)現(xiàn)織機(jī)制動(dòng)，采用這種主傳動(dòng)形式的主要是歐洲機(jī)型，如：比利時(shí)必佳樂、意大利意達(dá)等噴氣機(jī)型，國(guó)產(chǎn)噴氣織機(jī)制造企業(yè)尚無采取此種傳動(dòng)形式的產(chǎn)品。

2 三相異步電機(jī)配合皮帶驅(qū)動(dòng)

超啟動(dòng)三相異步電機(jī)配合皮帶、帶輪傳動(dòng)模式，其工作原理如圖1所示。

1—電機(jī)小帶輪；2—三相異步電機(jī)；3，6—螺釘；4—電機(jī)底座；5—心軸；7—織機(jī)主軸；8—織機(jī)大帶輪；9—電磁制動(dòng)器；10—三角帶。圖1 三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)織機(jī)示意

電機(jī)小帶輪安裝在異步電機(jī)的主軸上，異步電機(jī)通過螺釘固定在電機(jī)底座上，電機(jī)底座套裝在心軸上，并由螺釘鎖緊?？棛C(jī)大帶輪固定在織機(jī)主軸上，電磁制動(dòng)器固定在織機(jī)機(jī)架上，電磁制動(dòng)器的摩擦片與織機(jī)大帶輪的軸向距離保持為0.02 mm～0.04 mm。三角帶安裝在電機(jī)帶輪和大帶輪之間?？棛C(jī)啟動(dòng)時(shí)異步電機(jī)通電，動(dòng)力由兩個(gè)帶輪和皮帶傳遞給織機(jī)主軸，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)織機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成各種工藝動(dòng)作。當(dāng)發(fā)生紗線斷頭或者織機(jī)出現(xiàn)故障需要停機(jī)時(shí)，主電機(jī)斷電，電磁制動(dòng)器線圈吸合，與大帶輪同步運(yùn)轉(zhuǎn)的彈簧片與制動(dòng)器的摩擦片吸合完成制動(dòng)，制動(dòng)完成后再慢動(dòng)至定位停車角度。為方便操作，發(fā)生斷經(jīng)停機(jī)時(shí)一般要求織機(jī)定位停止在上心或綜平位置，便于處理斷經(jīng)。當(dāng)發(fā)生緯向故障停車時(shí)要求迅速停止在綜平位置附近，然后再根據(jù)工藝需要慢動(dòng)反轉(zhuǎn)，將有故障緯紗的梭口打開，完成所謂的“自動(dòng)找梭口”過程。

這種模式的主傳動(dòng)需要選擇合適的電機(jī)，使其機(jī)械性能適應(yīng)織機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性的要求。所用電機(jī)除選定合適的額定功率外，還必須考慮電機(jī)的允許最大轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)差率等特性參數(shù)，另外傳動(dòng)系統(tǒng)還應(yīng)滿足織機(jī)的負(fù)載條件、啟動(dòng)和制動(dòng)及有關(guān)操作與控制的特殊要求。

超啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式的主傳動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、成本低、控制驅(qū)動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也十分明顯：① 傳統(tǒng)的三相異步電機(jī)功率因數(shù)低、效率低，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流大，對(duì)設(shè)備沖擊大，影響電網(wǎng)正常運(yùn)行；② 三角帶傳動(dòng)效率低，能量損耗大，皮帶使用壽命短，損壞后需要定期更換，增加維護(hù)成本；③ 電磁制動(dòng)器摩擦盤存在磨損，使用一定時(shí)間后需要調(diào)整間隙，否則會(huì)出現(xiàn)織機(jī)停車位置不準(zhǔn)確問題；④ 織機(jī)更改轉(zhuǎn)速時(shí)需要停機(jī)人工操作更換帶輪，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下。

3 開關(guān)磁阻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)

1999年比利時(shí)必佳樂公司推出了SUMO電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)模式，其實(shí)質(zhì)是一種開關(guān)磁阻電機(jī)用于無梭織機(jī)的直驅(qū)調(diào)速系統(tǒng)。磁阻電機(jī)通過傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)織機(jī)主軸，織機(jī)的速度可以自動(dòng)設(shè)定，靠電機(jī)的啟停、調(diào)速實(shí)現(xiàn)織機(jī)的啟停、調(diào)速。該系統(tǒng)從總體上分為兩部分，即開關(guān)磁阻電機(jī)和與之對(duì)應(yīng)的控制器，原理見圖2。

圖2 開關(guān)磁阻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)織機(jī)示意

SUMO電機(jī)軸安裝有雙耦合齒輪，同時(shí)與織機(jī)主軸齒輪和織機(jī)開口齒輪嚙合，織機(jī)啟動(dòng)時(shí)由SUMO電機(jī)驅(qū)動(dòng)開口機(jī)構(gòu)與織機(jī)整機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)發(fā)生緯停故障停機(jī)時(shí)，雙耦合齒輪動(dòng)作，保持開口部分嚙合情況下與織機(jī)主軸齒輪脫離；SUMO電機(jī)僅驅(qū)動(dòng)開口機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)尋緯動(dòng)作。開關(guān)磁阻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)模式的優(yōu)點(diǎn)：① 取消皮帶、離合器和剎車盤等零部件，簡(jiǎn)化了織機(jī)結(jié)構(gòu)；② 通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)織機(jī)調(diào)速，通過計(jì)算機(jī)或按程序自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高生產(chǎn)效率，增強(qiáng)織機(jī)品種適應(yīng)性。

開關(guān)磁阻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)相比異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有一定優(yōu)勢(shì)，但缺點(diǎn)也比較明顯：① 開關(guān)磁阻電機(jī)的性能特點(diǎn)是非線性，對(duì)其性能的精確分析和計(jì)算較為困難，電機(jī)的控制精度較低；② 磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大導(dǎo)致噪聲較大，同時(shí)啟動(dòng)瞬間對(duì)外電網(wǎng)沖擊較大，電機(jī)溫升較高，使用中需要增加油冷或者水冷循環(huán)系統(tǒng)；③ 磁阻電機(jī)成本較高。

4 交流永磁同步電機(jī)直驅(qū)

隨著永磁電機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，在噴氣織機(jī)上使用永磁電機(jī)成為可能。相比異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以集合兩種驅(qū)動(dòng)模式的優(yōu)點(diǎn)，具有節(jié)能效果顯著、成本低、穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)比磁阻電機(jī)進(jìn)一步簡(jiǎn)化等優(yōu)點(diǎn)，其工作原理見圖3。

1—定位法蘭；2—定子；3—轉(zhuǎn)子; 4—鐵芯；5—主軸；6—螺母；7—軸承座；8—軸承；9—墻板蓋板。圖3 永磁同步電機(jī)直驅(qū)裝置示意

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子與鐵芯通過緊固鍵以及螺母緊固安裝在織機(jī)主軸上，永磁同步電機(jī)定子通過螺釘安裝在定位法蘭上，定位法蘭由軸承座定位后通過螺桿固定在墻板蓋板。由于軸承座是通過織機(jī)曲軸上的軸承進(jìn)行定位，故永磁電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙可以精確控制，不會(huì)影響電機(jī)性能。三相異步電機(jī)是通過在勵(lì)磁繞組中通入電流來產(chǎn)生磁場(chǎng)的，而永磁同步電機(jī)通過永磁體來建立磁場(chǎng)，具有體積小、效率高、功率因數(shù)高、啟動(dòng)力矩大、力能指標(biāo)好、溫升低等特點(diǎn)。

永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比異步電機(jī)以及開關(guān)磁阻電機(jī)等驅(qū)動(dòng)模式，優(yōu)點(diǎn)如下。

a) 永磁同步電機(jī)的外特性效率曲線相比異步電機(jī)，在輕載時(shí)效率值要高很多，節(jié)能效果十分顯著，其能耗低于異步電機(jī)20%以上。

b) 由于永磁同步電機(jī)功率因數(shù)高，相比異步電機(jī)其電流更小，電機(jī)定子銅耗更小，效率也更高；電機(jī)配套的電源如變頻器等，容量可以更低；同功率永磁同步電機(jī)比異步電機(jī)體積更小。

c) 系統(tǒng)效率高。永磁電機(jī)參數(shù)，特別是功率因數(shù)，不受電機(jī)極數(shù)的影響，因此便于設(shè)計(jì)成多極電機(jī)；針對(duì)傳統(tǒng)織機(jī)需要負(fù)載電機(jī)通過皮帶輪減速來驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，可以直接使用永磁同步電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)，省去了皮帶輪、皮帶，提高了傳動(dòng)效率。

d) 永磁同步電機(jī)在低頻時(shí)仍能保持良好的工作狀態(tài)，低頻時(shí)(也就是啟動(dòng)低速時(shí))的輸出力矩較異步電機(jī)大，同時(shí)啟動(dòng)時(shí)配合變頻器驅(qū)動(dòng)，可以在100 ms內(nèi)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，而異步電機(jī)需要500 ms才能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。其啟動(dòng)特性如圖4所示。

圖4 永磁電機(jī)和異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能對(duì)比

e) 轉(zhuǎn)子無電阻損耗，定子繞組幾乎不存在無功電流，因而電機(jī)溫升低，同體積、同質(zhì)量的永磁電機(jī)功率可提高約30%；同功率容量的永磁電機(jī)體積、質(zhì)量、所用材料可減少30%。

f) 相比于開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，永磁同步電機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)化。開關(guān)磁阻電機(jī)直驅(qū)必須采用齒輪減速，而永磁同步電機(jī)則完全取消了減速齒輪及相應(yīng)減速箱，機(jī)構(gòu)更簡(jiǎn)化，節(jié)能效果更顯著。

g) 永磁同步電機(jī)的控制精度高于開關(guān)磁阻電機(jī)的控制精度。

h) 永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的成本遠(yuǎn)低于開關(guān)磁阻電機(jī)，降低了客戶采購成本。

如圖5所示，使用永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，比使用三相異步電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。

a) 三相異步電機(jī)方案組件 b) 永磁同步電機(jī)方案組件1—三相異步電機(jī)；2—三相異步電機(jī)支架；3，7—開口皮帶輪機(jī)構(gòu)；4—電磁離合制動(dòng)器；5—電機(jī)傳動(dòng)皮帶/皮帶輪；6—永磁同步電機(jī)。圖5 永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置

5 永磁同步電機(jī)直驅(qū)裝置應(yīng)用效果

永磁同步電機(jī)直驅(qū)裝置開發(fā)成功后，應(yīng)用在噴氣織機(jī)上，使織機(jī)具有在線調(diào)整車速功能，提高了效率，拓展了品種適應(yīng)范圍。由于織機(jī)部件減少，降低了設(shè)備故障率以及維護(hù)成本，取得了良好效果。

永磁同步電機(jī)直驅(qū)裝置在節(jié)電方面效果明顯，與三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)比，在車速為850 r/min時(shí)，生產(chǎn)經(jīng)緯8.33 tex(75D)四面彈品種，永磁同步電機(jī)24 h用電量為55 kW·h，三相異步電機(jī)24 h用電量為67 kW·h，24 h節(jié)約用電12 kW·h，可節(jié)電約18%。電費(fèi)按0.8元/(kW·h)計(jì)算，每臺(tái)每天可節(jié)約電費(fèi)9.6元。紡織廠噴氣織機(jī)運(yùn)行時(shí)間每年按360 d、織機(jī)數(shù)量按100臺(tái)計(jì)算，則年節(jié)約電費(fèi)345 600元，節(jié)能效果十分顯著。

此外，三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，織機(jī)更改車速時(shí)需要人工拆卸皮帶輪，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低下，且傳動(dòng)皮帶使用壽命短，到期或損壞后需及時(shí)更換，這都是使用的隱形成本。采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置則無這些問題，綜合使用效果良好。

6 結(jié)語

永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)裝置研發(fā)成功后，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好效果，與傳統(tǒng)三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，簡(jiǎn)化織機(jī)結(jié)構(gòu)，降低維護(hù)成本，提高效率，拓展了織機(jī)的品種適應(yīng)性，在節(jié)能方面有明顯效果。與開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，降低故障率，具有良好的成本優(yōu)勢(shì)。該裝置的開發(fā)提高了織造工廠的整體效益，符合當(dāng)前噴氣織機(jī)綠色節(jié)能的發(fā)展方向，獲得了用戶的認(rèn)可與好評(píng)。