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橡胶精炼机外转子永磁电机的优势

发布时间:2017-04-07 23:47:00 点击:    关键词:密炼机,捏炼机,开炼机,橡胶机械

普通传统异步电机依然能将电能与机械能两者之间互相转化,但是,在将电能转换成机械能或者机械能转换成电能的过程中,不可避免的产生了大量的损耗。而这些损耗直接的表现为电机的低效率和低性能[11]。电机电能与机械能之间的转换是通过一个媒介来实现的,这个媒介就是电磁场。但是传统的直流电机或者交流电机若要产生作为媒介的电磁场就不得不在转子上缠上绕组,通过电流。可是电流通过转子又会将电能完全消耗在内能上,造成电机升温,增加损耗,降低效率进而进一步的影响了电机的正常运行与电机的可靠性[12]。

       在现代生活中异步电机被应用的相当宽泛,甚至于异步电机能达到电机总数的七成左右。异步电机会被应用到如此地步也是有其本质原因的,比如结构简单、运行可靠、无需维护、结实耐用、在额定参数是有着不错的效率和较好的工作特性。但一般来说异步电机的功率因数和效率均为 0.7 到 0.9 之间,损耗过大。当然个别 Y200~Y315 机座号的异步电机效率可以达到 0.9 到 0.95 之间[13]。虽然看似 0.7 到 0.9 之间效率已经很不错了。但这仅仅是额定效率,异步电机的效率和功率因数都是与负载率也就是负载占额定负载的比值息息相关的[14]。而效率和功率因数与负载率之间的联系图1.4 将明确的解释出。
        从曲线中可以看出,随着负载率的增加,电机功率因素和效率成指数形式增加,当负载率增加到 0.7 时趋于平缓,变化波动不再明显。但在需要电机作为动力的各行业的设备之中,电机的选取一般参考电机的大载荷图。这就会造成在日常使用电机的时候电机经常处于轻载的状态下,甚至与负载率低于 0.7,造成电机效率和功率因素的大幅度下降[15,16]。永磁同步电机的出现彻底的解决了这一难题。永磁电机的转子一般为永磁体来提供电磁场来实现电能和机械能的转化,不会像异步电机一样消耗为内能。并且永磁电机的效率和功率因素一般也不随负载率的变化有过大的波动,如图 1.5 所示。
 
       本文所需要炼胶设备一般都需要驱动设备具备低速大转矩的特性,可传统异步电机由于自身设计上的缺憾,不能制成多级电机,无法实现直驱大负载,就只好在电机与负载之间增加减速箱。但减速箱并不仅仅带来了低速大转矩的输出,也是得本来就不太高的效率更加的低了,在无形之中增加的使用成本。而且减速箱的纯在也会带来更多的问题,比如噪声、润滑油污染等等[17]。而永磁电机却因为永磁体可以制作成多级电机,可以完美的实现实现低速大转矩的要求,同时和传统异步电机相比,永磁电机有以下好处:

(1)效率高,低损耗,节能效果能好,符合国家大力提倡的节能减排。永磁电机不需要额外的励磁电流,可以明显的提高功率因数;定子电流较小,避免能量过多的损耗在内能上;热量比较异步电机更少,就可以适当的减小风扇,进一步的提高效率;一般永磁同步电机会比异步电机效率高 5 到 8 个百分点,而且上文也提高过永磁电机可以再更宽的负载变动范围内自始至终保持相当的高效率[18]。 
(2)可以更好的满足现代社会中低速直驱的需求[19]。现在的低速驱动装置一般都采用电机带减速箱带负载的驱动方式。例如本文涉及的精炼机炼胶启动、或者环抱式电梯的运行都对驱动设备提出了更高的要求。随着永磁电机的发展减速箱必将推出历史舞台。 
(3)更高的功率密度。永磁电机与异步电机相比,自身有空间结构更小的特点,于此同时电机的效率却更高,转矩密度也更高。特别适合电动汽车等体积受到限制,却又取药高功率高转矩的情况。而且在高性能的钕铁硼永磁材料在有特俗结构的情况下,其大磁负荷 Bδ甚至可高达 1T 以上,这是异步电机远远不可能达到的[20]。

本文研究的目的和意义        到现在为止橡胶精炼机的驱动方式依然主要是采用异步机带减速机带传动齿轮带动滚筒的传动方式,如图 1.1 所示。然而这种传统的传动方式却有着很大的问题[21]。
1.传统异步电动机在非额定载荷时效率非常低, 2.减速机的存在本身就会降低传动效率,而且存在噪声大、润滑油污染等确定。 3.设备零件过多,多级传动,中间传动容易磨损,一旦受损影响整个系统的使用。系统可靠性过低。

       总之就是这种传动方式的损耗非常之大。与我国现在极力提倡节能高效节约型社会不符[22]。所以这种老式驱动方式虽然在现在来看是采用的广泛的,但是随着永磁电机的普及,也是需要改进甚至消失的。这个时候外转子永磁同步直驱电动辊的优势就凸显出来了,例如在低速范围下具有非常好的转矩输出特性,其结构简单、体积小、效率高、响应迅速、过载能力强、可靠性高,都是非常适合橡胶精炼机的自身特性的。所以本文经过研究,决定采用外转之永磁同步电机直接安置在轧辊内,制作永磁直驱电动辊来直接驱动轧辊使之炼胶,解决上述问题。对外转子永磁同步直驱电动辊的深入研究,可以进一步的提高精炼机的炼胶效率。对外转子永磁电动机的论文进行学习、验证和分析。为以后的电动辊式驱动系统设计做出理论指导。所以本文用外转子永磁同步电机代替传统异步电机驱动轧辊是具有工程实践意义的。于此同时目前使用的橡胶机械,如开炼机密炼机等具有较大转动惯量的炼胶设备,都可以使用外转子永磁电机直接驱动。其独特的内置式外转子永磁直驱电动辊的使用,成功的突破了炼胶设备结构和性能瓶颈的桎梏。狠狠的推动了以精炼机为首的炼胶设备的进一步发展。

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本论文研究的主要工作        

本文以低速大转矩的外转子永磁直驱电动辊作为研究对象,主要研究适合橡胶精炼机的直驱低速大转矩永磁电机的设计问题,通过课题的研究重点解决永磁电机设计中所出现的如齿槽转矩的计算、涡流损耗的分析以及对温度场的分析以制等一系列问题。本文研究工作可以具体的整理如下:

(1)根据要求对外转子永磁同步电动辊的外转子电机进行电磁方案设计,确定电机的主要尺寸、定子槽型、永磁体设计、极弧系数等主要参数,并深入的了解外转子永磁同步电机的特点。 (2)运用 ANSOFT 仿真软件建立模型并对电机进行二维、三维仿真,得到仿真结构,利用几何分析、有限元分析等方法对电机设计中存在的问题如齿槽转矩、涡流损耗等进行分析,并以此为根据对电机的电磁设计进行简单的优化。 (3)由于外传之电机要被直接安装在精炼机的轧辊内,使其处于相对密闭高温的 环境下,温度场分析是相当必要的。计算电机的散热系数,设计电机的冷却结构,利用 ANSYS 仿真软件对电机稳态温度场进行分析,验证电机在特殊的工作环境下可以正常的运行。
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