1 引言
大型礦山球磨機(jī)用無刷勵磁同步電機(jī)是我公司首次自主生產(chǎn)的無刷勵磁同步電動機(jī)。更具有意義的是為將來相關(guān)的電機(jī)產(chǎn)品升級換代及尋找機(jī)會打入國際市場奠定了不可或缺的基礎(chǔ)。其中，型號為TMW3300 - 30/2860的兩臺電機(jī)是我公司自主制造最大功率(3 300kW)的球磨機(jī)同步電機(jī)，同時也是迄今為止國內(nèi)最大功率的球磨機(jī)同步電機(jī)。在機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)( JB/T 1473 - 2000)中列入的最大規(guī)格球磨機(jī)同步電機(jī)為1 250kW，富通新能源銷售球磨機(jī)、雷蒙磨粉機(jī)等磨機(jī)機(jī)械設(shè)備。
2無刷勵磁同步電機(jī)的研發(fā)
該電機(jī)有很多獨特之處。與常規(guī)球磨機(jī)電機(jī)的不同主要在于兩個方面。首先，電機(jī)傳動端軸頭安裝空氣離合器，有利于機(jī)組起動。堵轉(zhuǎn)電流小于4倍額定電流（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定堵轉(zhuǎn)電流小于7倍額定電流），堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大于0.4倍額定轉(zhuǎn)矩（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中要求堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大于1.7倍額定轉(zhuǎn)矩），牽人轉(zhuǎn)矩大于0.5倍額定轉(zhuǎn)矩（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中要求牽人轉(zhuǎn)矩大于1.0倍額定轉(zhuǎn)矩）；其次，現(xiàn)場環(huán)境惡劣，有刷電機(jī)難以滿足要求，被迫采用無刷勵磁技術(shù)。
同步電機(jī)無刷勵磁機(jī)包括兩種形式：一種以轉(zhuǎn)樞式凸極同步發(fā)電機(jī)作為無刷勵磁機(jī)；另一種，以繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)作為無刷勵磁機(jī)。前者一般為工頻同步電機(jī)勵磁；后者既可為工頻同步電機(jī)勵磁，也可為變頻調(diào)速同步電機(jī)勵磁。我們選用前一種無刷勵磁機(jī)形式。這主要是考慮該電機(jī)屬試制階段，其定子可由鋼板加工成磁極結(jié)構(gòu)，較之繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子做成沖片結(jié)構(gòu)的成本低。這樣，若試制不成，也不會造成報廢模具而造成較大浪費。
此次無刷勵磁同步電機(jī)的開發(fā)重點、難點不在于主機(jī)而在無刷勵磁機(jī)部分。下面就這一重點展開介紹。
2.1電磁計算
電磁方案的重點是同步電機(jī)主極與旋轉(zhuǎn)整流盤，旋轉(zhuǎn)整流盤與無刷勵磁機(jī)的接口，無刷勵磁機(jī)電磁計算。同步電機(jī)無刷勵磁原理圖，見圖1。
無刷勵磁機(jī)實質(zhì)上為小型三相轉(zhuǎn)樞式凸極同步發(fā)電機(jī)。采用半閉口槽、散線線圈、磁極線圈分兩個線包等結(jié)構(gòu)特點。電磁計算程序主要是在普通凸極同步發(fā)電機(jī)電磁計算程序的基礎(chǔ)上考慮到這些特點開發(fā)的。
同步電機(jī)所需勵磁由旋轉(zhuǎn)整流盤輸出端提供。旋轉(zhuǎn)整流盤所需的三相交流電壓、電流是勵磁機(jī)輸出的電壓、電流。
首先，根據(jù)同步電機(jī)勵磁的電壓、電流初算勵磁機(jī)參數(shù)：功率、電壓、功率因數(shù)、電流、頻率。初算勵磁機(jī)的參數(shù)有兩套公式，根據(jù)最終選定的晶閘管而不同：器件為螺栓形，適用于100A以下工況；器件為平板形，適用于100A以上大電流。
其次，通過對勵磁機(jī)電磁方案的反復(fù)調(diào)試及優(yōu)化，最終無刷勵磁機(jī)設(shè)計成16極（主電機(jī)為30極），其參數(shù)為：功率：68kW，電壓：192. 34V，電流：219. 34A，功率因數(shù)：0. 9306，頻率：26. 67Hz。
計算結(jié)果中勵磁機(jī)所需勵磁的參數(shù)：勵磁電壓187. 12V，勵磁電流17. 87A，空載勵磁電流7.396A，短路勵磁電流17.7A。
根據(jù)電磁計算結(jié)果，可以確定結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心部分的尺寸。并將以上兩組數(shù)據(jù)提供給電子設(shè)備廠就可以訂購旋轉(zhuǎn)整流盤了。
2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計
無刷勵磁機(jī)結(jié)構(gòu)主要分為四大部分：定子、轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)整流盤、外罩，見圖2。
定子包括：定子鐵心、磁極線圈、固定夾及熱脹型材料等。定子鐵心由兩塊llOmm厚鋼板在厚度方向開坡口焊接而成，并用數(shù)控切割，割出16個磁極。磁極的極靴與極身的寬度一致，以確保磁極線圈可以直接套入。磁極線圈有兩組線包組成。線包間的空間用于插入固定夾。相鄰磁極線圈間插入熱脹型材料撐緊，并在定子整體進(jìn)行VPI整浸后固定牢固。需要注意的是，在磁極線圈下線后要暫時以cp5滌綸護(hù)套玻璃纖維繩固定于定子鐵心軛部事先布置的螺栓上。這樣做，為下線（套磁極線圈）工作帶來必要的便利，定子結(jié)構(gòu)見圖3。
轉(zhuǎn)子包括：電樞鐵心、轉(zhuǎn)子支架、線圈支架、電樞線圈等。電樞鐵心沖片為整圓硅鋼片，內(nèi)圓帶有鍵槽。轉(zhuǎn)子支架輪轂一端與主電機(jī)軸固定，支架8根放射布置的筋的另一端與旋轉(zhuǎn)整流器間隙配合，并以8個螺栓固定，轉(zhuǎn)子支架8根筋的外表面與電樞沖片內(nèi)圓過盈配合，其中1根筋上加工有平鍵槽，嵌入的平鍵與電樞鐵心內(nèi)圓鍵槽配合。這樣，從主電機(jī)軸傳遞過來的轉(zhuǎn)矩就可以通過轉(zhuǎn)子支架傳到勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子并帶動旋轉(zhuǎn)整流器一塊旋轉(zhuǎn)。
電樞線圈為雙層疊繞散線線圈，為了減少相間接線困難，將兩個線圈做成一組。48組線圈嵌入到92個半閉口槽內(nèi)。線圈端部伸出鐵心端部的部分有線圈支架支撐。線圈支架既起支撐線圈端部的作用也起到壓緊鐵心的轉(zhuǎn)子壓板的作用。線圈支架在壓緊鐵心后以弧鍵限位固定于轉(zhuǎn)子支架上，弧鍵兩端需與線圈支架筋點焊牢。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見圖4。
2.3投勵與控制勵磁
整個的工作過程是，同步電機(jī)異步起動，無刷勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞從電動機(jī)吸收機(jī)械功率（有功功率），切割定子勵磁磁場產(chǎn)生同步的旋轉(zhuǎn)磁場，共同建立氣隙磁場。氣隙磁場作用于勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞，感應(yīng)出3相交流電勢。在控制模塊發(fā)出投勵信號之前，同步電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈感應(yīng)出的交變電流通過放電電阻，不至于形成大的電勢對整流電路構(gòu)成威脅。
主控模塊通過采集滑差信號，在準(zhǔn)同步情況下發(fā)出信號打開整流回路的晶閘管，同時關(guān)斷與放電電阻相連的GTO晶閘管，這樣就完成了投勵動作，參見圖1。對于多極數(shù)的同步電機(jī)凸極效應(yīng)明顯，異步起動牽入同步速度快，采集滑差信號困難，可以比較轉(zhuǎn)子線圈兩端的電壓，測得零壓后計時2s左右，發(fā)出信號完成上述投勵動作。
至于調(diào)整勵磁機(jī)勵磁電流大小，以控制主電動機(jī)欠勵過勵狀態(tài)。、其主要依賴于自控系統(tǒng)根據(jù)主電動機(jī)負(fù)載方信號采集的判斷。比如當(dāng)負(fù)載較大，需要過勵時，加大勵磁機(jī)勵磁電流，增大空載電勢，功率因數(shù)降低，勵磁機(jī)電樞電流增加，從而加大整流回路的輸出電流，達(dá)到過勵要求。
3結(jié)論
在我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，鋼鐵產(chǎn)業(yè)、有色金屬產(chǎn)業(yè)相繼上馬，拉動采礦業(yè)產(chǎn)量不斷增長，礦山球磨機(jī)需求量呈上升趨勢。拖動球磨機(jī)的無刷勵磁同步電機(jī)具有適應(yīng)惡劣環(huán)境的特點，并且在各個使用大型同步電機(jī)的行業(yè)里有很廣闊的應(yīng)用前景。
