新型直驅(qū)電機(jī)的開發(fā)及其在飲料輸送線中的應(yīng)用

1、第30卷第7期2013年7月機(jī)電工程Journal of Mechanical Electrical EngineeringVol30No7Jul2013收稿日期:20130314作者簡(jiǎn)介:金杰峰(1981,男,浙江上虞人,主要從事電氣自動(dòng)化控制方面的工作E-mail :jetkingwahahacomcn 通信聯(lián)系人:樓向明,男,博士,高級(jí)工程師E-mail :lxmwahahacomcn DOI :103969/jissn10014551201307015新型直驅(qū)電機(jī)的開發(fā)及其在飲料輸送線中的應(yīng)用金杰峰,王立強(qiáng),樓向明*,葉鵬(杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司,浙江杭州310020摘要:針對(duì)目前飲料

2、輸送線中普遍使用的異步電機(jī)減速機(jī)存在效率低的缺點(diǎn),為了提高飲料輸送線驅(qū)動(dòng)裝置的效率,提出了使用低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩高效直驅(qū)電機(jī)替換異步電機(jī)減速機(jī)直接驅(qū)動(dòng)輸送帶的設(shè)想。通過對(duì)飲料瓶輸送帶在不同運(yùn)行工況時(shí)的運(yùn)動(dòng)分析,估算了驅(qū)動(dòng)裝置所需的轉(zhuǎn)矩和功率,從而確定了直驅(qū)電機(jī)的基本參數(shù)。為了達(dá)到低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩以及高效的要求,采用稀土永磁同步電機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)出低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩永磁同步直驅(qū)電機(jī),并試制了樣機(jī)。通過直驅(qū)電機(jī)樣機(jī)的測(cè)試和在飲料輸送帶上的試用,驗(yàn)證了其節(jié)能效果。研究結(jié)果表明,直驅(qū)電機(jī)的額定效率可達(dá)83%,與異步電機(jī)減速機(jī)裝置相比,實(shí)際節(jié)能率可達(dá)30% 40%。關(guān)鍵詞:直驅(qū)電機(jī);高效節(jié)能;飲料輸送帶;永磁同步電機(jī)中圖分類

3、號(hào):TS27;TH222;TH39文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):10014551(201307083205Development of new direct-drive motor and its application in beverage conveyor lineJIN Jie-feng ,WANG Li-qiang ,LOU Xiang-ming ,YE Peng(Hangzhou Wahaha Group Co,Ltd,Hangzhou 310020,China Abstract :Aiming at the low efficiency of the asynchronous moto

4、r and retarder which used in the beverage conveyor line ,and in order to im-prove the efficiency of the drive unit ,the idea of replacing the asynchronous motor and retarder with the low-speed-high-torque and high effi-ciency direct-drive motor to drive the conveyor directly was presentedThe torque

5、and power requirements of the drive unit were analyzed un-der different operation conditions of the bottle conveyor belt ,and then the basic parameters of the direct-drive motor were determinedIn or-der to achieve the requirements of low-speed-high-torque and high efficiency ,the direct-drive motor

6、was designed based on the rare earth per-manent magnet synchronous motor technology ,and a prototype of the direct-drive motor was producedThe energy-saving effect of the direct-drive motor was verified by the practical test of the prototype of the beverage conveyor lineThe results show that ,the ra

7、ted efficiency of the di-rect-drive motor is up to 83%,and comparing with the asynchronous motor and retarder ,the direct-drive motor can save 30% 40%energyKey words :direct-drive motor ;energy efficient ;bottle conveyor belt ;permanent magnet synchronous motor0引言在各類輕工業(yè)品自動(dòng)化流水生產(chǎn)線中普遍使用的驅(qū)動(dòng)裝置是異步電機(jī)減速機(jī)系統(tǒng),

8、即使用小功率的三相異步電機(jī)經(jīng)減速機(jī)減速并提高轉(zhuǎn)矩后驅(qū)動(dòng)各類設(shè)備。飲料輸送線中大量使用的是3kW 以下的三相異步電機(jī),其效率一般都低于80%1。而驅(qū)動(dòng)裝置的選型原則是等級(jí)靠大不靠小,一般飲料輸送線配置的電機(jī)均有20% 45%容量富余2,即電機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際輸出功率為額定功率的80%以下,使其效率進(jìn)一步下降。減速機(jī)方面,飲料輸送線上使用的減速機(jī)多為蝸輪蝸桿減速機(jī),其效率一般也低于80%。因此,目前廣泛使用的飲料輸送線驅(qū)動(dòng)裝置的實(shí)際效率往往低于50%。若能采用低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩高效直驅(qū)電機(jī)替換現(xiàn)有的異步電機(jī)減速機(jī)裝置直接驅(qū)動(dòng)輸送線,則可以大大提高系統(tǒng)效率。在慕尼黑Drinktec2009展覽會(huì)上,德國(guó)海富公

9、司展出了世界首創(chuàng)物料輸送帶直驅(qū)系統(tǒng)Beetec直驅(qū)電機(jī),去除了減速機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu),比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能30%3,但是直至目前尚無成熟產(chǎn)品銷售。而目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上銷售的直驅(qū)電機(jī)產(chǎn)品基本都為大功率或高精度伺服電機(jī),不適用于飲料輸送線。因此,針對(duì)飲料輸送線的驅(qū)動(dòng)需要,本研究開發(fā)一款新型永磁同步直驅(qū)電機(jī),并在飲料瓶輸送帶上進(jìn)行試用。1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求分析飲料瓶輸送帶的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。該輸送帶主要由鏈輪、鏈板、支撐機(jī)架和驅(qū)動(dòng)裝置組成。鏈板頭尾連接形成環(huán)狀套在兩個(gè)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(dòng)輪和被動(dòng)輪,輸送帶運(yùn)行時(shí),驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng),使鏈板做直線運(yùn)動(dòng),從而帶動(dòng)鏈板上的飲料瓶前進(jìn)

10、 。圖1鏈板輸送帶示意圖1鏈板;2支撐條;3鏈輪;4托輪根據(jù)物理原理,輸送帶勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),驅(qū)動(dòng)輸送帶主動(dòng)輪所需的轉(zhuǎn)矩為:T=FR(1式中:F鏈輪對(duì)鏈板的拉力,R鏈板繞鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑。由于飲料瓶輸送帶一般都為勻速運(yùn)行且水平運(yùn)動(dòng),鏈輪對(duì)鏈板的拉力等于鏈板受到的摩擦力,為:F=fW +fb(2式中:f W鏈板與支撐條之間的摩擦力,f b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:f W =W(Mb+MWg(3式中:M b鏈板上飲料瓶的總重量,M W鏈板自身重量,g重力加速度,W鏈板與支撐框架之間的摩擦系數(shù)。當(dāng)輸送帶正常運(yùn)行時(shí),飲料瓶與鏈板之間沒有相對(duì)滑動(dòng),則:f b =0(4當(dāng)輸送帶出

11、現(xiàn)堵塞情況時(shí),鏈板繼續(xù)運(yùn)動(dòng)而飲料瓶無法前進(jìn),即飲料瓶與鏈板之間有相對(duì)滑動(dòng),則:fb=bMbg(5式中:b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:Mb=mbN(6式中:m b單瓶飲料重量,N輸送帶上飲料瓶總數(shù)量。對(duì)于單道運(yùn)行的輸送帶而言,輸送帶上飲料瓶總數(shù)量為:N=LD+d(7式中:L輸送帶長(zhǎng)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(shí),d=0。當(dāng)輸送帶以速度v勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),驅(qū)動(dòng)輸送帶所需的功率:W=F·v(8驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速:n=v2R(9以INTRALOX 公司的鏈板為例,其輸送帶長(zhǎng)為10m,鏈板繞鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑R=81mm,鏈板重量MW33kg。

12、在輸送帶潤(rùn)滑情況下,取W=009,b=0094。此輸送帶在不同工況下輸送不同的飲料瓶時(shí),根據(jù)以上公式,計(jì)算驅(qū)動(dòng)輸送帶所需的轉(zhuǎn)矩、功率和轉(zhuǎn)速如表1所示。表1輸送帶驅(qū)動(dòng)裝置理論參數(shù)估算值產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)矩/(N·m功率/W轉(zhuǎn)速/(r·min1mb=053kgD=60mm正常,d40mmv=50m/min61632984mb=053kgD=60mm堵塞,d=0v=50m/min1501540984mb=155kgD=100mm正常,d50mmv=60m/min9712021181mb=155kgD=100mm堵塞,d=0v=60m/min24530251181·338

13、3;第7期金杰峰,等:新型直驅(qū)電機(jī)的開發(fā)及其在飲料輸送線中的應(yīng)用上述計(jì)算是比較理想的狀況,在輸送帶實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,輸送帶受各種大小和性質(zhì)不同的載荷作用,處在極其復(fù)雜的受力狀態(tài)下5。所以實(shí)際驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需的轉(zhuǎn)矩和功率大于計(jì)算結(jié)果。另外,還需考慮到實(shí)際應(yīng)用需要預(yù)留的余量,最終確定需要開發(fā)的直驅(qū)電機(jī)基本參數(shù)如下:額定功率:P N=125kW;額定電壓:U N=380V;額定轉(zhuǎn)速:n N=300r/min;額定轉(zhuǎn)矩:T N=40N·m;最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù):300%。2直驅(qū)電機(jī)的設(shè)計(jì)由于永磁同步電機(jī)具有體積小、重量輕、效率高、功率因數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)6-7,直驅(qū)電機(jī)采用了交流永磁同步

14、技術(shù)。對(duì)于永磁同步電機(jī),其轉(zhuǎn)速:n=60fp(10式中:f電機(jī)的額定頻率,p電機(jī)的極對(duì)數(shù)。由式(10可以看出,電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)的極數(shù)成反比,與電源的頻率成正比。因此,為了降低電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速,可以在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),增加電機(jī)極數(shù)或降低電機(jī)的額定頻率。考慮到電機(jī)低頻方面的低限問題,使得通過采用降低額定頻率來實(shí)現(xiàn)低速目的的方法具有一定的局限性8。本研究在直驅(qū)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),采用了增加電機(jī)極數(shù)的方法,并最終確定電機(jī)的頻率和極對(duì)數(shù)為:額定頻率:f N=80Hz;極對(duì)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(fù)線與退磁曲線基本重合,且性價(jià)比高,特別適用

15、于永磁電機(jī)9-10。因此,該設(shè)計(jì)選用了牌號(hào)為N35SH的釹鐵硼為電機(jī)的永磁體材料。直驅(qū)電機(jī)的設(shè)計(jì)過程與一般永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)過程相同,只是需要根據(jù)直驅(qū)電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)選擇合適的參數(shù)。主要設(shè)計(jì)步驟如下:(1直驅(qū)電機(jī)主要尺寸的初定,即根據(jù)直驅(qū)電機(jī)的額定參數(shù)和相關(guān)電機(jī)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)初步確定電機(jī)的主要尺寸,包括永磁體尺寸、氣隙長(zhǎng)度、定轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑和軸向長(zhǎng)度、定子槽數(shù)和極距等結(jié)構(gòu)尺寸。直驅(qū)電機(jī)極數(shù)較多,使得電機(jī)直徑較大,而長(zhǎng)度較短,即為粗短型。因此電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),長(zhǎng)徑比需比一般永磁同步電機(jī)小,該設(shè)計(jì)中的長(zhǎng)徑比選為025左右。(2直驅(qū)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)與計(jì)算。電磁設(shè)計(jì)是電機(jī)設(shè)計(jì)的核心部分,需要根據(jù)永磁同步電機(jī)的理論

16、建立等效電磁模型,然后進(jìn)行繞組參數(shù)計(jì)算、磁路計(jì)算、電路參數(shù)計(jì)算和電機(jī)特性的綜合計(jì)算,最終得出電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)并修正電機(jī)主要尺寸數(shù)據(jù)。由于直驅(qū)電機(jī)要求低速運(yùn)行并輸出大轉(zhuǎn)矩,電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能地提高轉(zhuǎn)矩密度。該設(shè)計(jì)采用分?jǐn)?shù)槽,并選擇了較大的電磁負(fù)荷。永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)相當(dāng)成熟,具體設(shè)計(jì)方法可參考文獻(xiàn)11-13,本研究不再詳述,只給出電機(jī)的最終設(shè)計(jì)結(jié)果。直驅(qū)電機(jī)的各項(xiàng)主要參數(shù)如表2所示,電機(jī)示意圖如圖2所示。表2直驅(qū)電機(jī)主要參數(shù)參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值額定功率/kW125額定電壓/V380額定電流/A23額定轉(zhuǎn)速/(r·min1300額定頻率/Hz80額定轉(zhuǎn)矩/(N·m40額定效率

17、/(%83額定功率因素099最大轉(zhuǎn)矩/(N·m140定子相數(shù)3極數(shù)32繞組連接方式Y(jié)型定子槽數(shù)36定子外徑/mm250定子內(nèi)徑/mm200氣隙/mm1鐵芯長(zhǎng)度/mm50轉(zhuǎn)子外徑/mm 198圖2直驅(qū)電機(jī)示意圖3直驅(qū)電機(jī)的測(cè)試與試用根據(jù)直驅(qū)電機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)果,本研究試制了一臺(tái)樣機(jī),并對(duì)其進(jìn)行了必要的測(cè)試,以驗(yàn)證電機(jī)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。測(cè)試時(shí),由測(cè)功機(jī)對(duì)直驅(qū)電機(jī)進(jìn)行加載,而在電機(jī)輸出軸與測(cè)功機(jī)之間串接扭矩傳感器以測(cè)得電機(jī)輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)矩,并加裝高精度旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)試電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速,從而計(jì)算電機(jī)的實(shí)際輸出功率。直驅(qū)電機(jī)由·438·機(jī)電工程第30卷高性能變頻器驅(qū)動(dòng),以無傳感控制方式

18、實(shí)現(xiàn)變頻啟動(dòng)和調(diào)速,并由變頻器的輸出數(shù)據(jù)直接得到電機(jī)的輸入功率。直驅(qū)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖3所示 。圖3直驅(qū)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)示意圖由輸入功率和輸出功率即可計(jì)算直驅(qū)電機(jī)的效率,測(cè)試所得直驅(qū)電機(jī)在不同輸出扭矩時(shí)的轉(zhuǎn)速效率曲線如圖4所示。由圖可得直驅(qū)電機(jī)在設(shè)計(jì)的額定轉(zhuǎn)速(300r /min 和額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩(40N ·m 時(shí),效率約為83%,而最大效率可達(dá)85%左右,說明直驅(qū)電機(jī)是符合設(shè)計(jì)要求的。而直驅(qū)電機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)速較低時(shí),其效率有較大程度的下降 。圖4直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)速效率曲線圖為了檢驗(yàn)直驅(qū)電機(jī)的節(jié)能效果,本研究搭建了一段10m 長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)輸送帶,分別安裝現(xiàn)有的異步電機(jī)減速機(jī)裝置和直驅(qū)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置

19、,并進(jìn)行能耗對(duì)比。其中異步電機(jī)按照設(shè)計(jì)慣例功率為11kW ,實(shí)際安裝情況如圖5所示。輸送帶上實(shí)際放置100瓶飲料,每瓶飲料重量約053kg ,分別模擬輸送帶空轉(zhuǎn)、正常運(yùn)行和堵塞運(yùn)行3種不同工況。異步電機(jī)和直驅(qū)電機(jī)由同一款變頻器驅(qū)動(dòng),并分別讀出兩種電機(jī)的實(shí)際輸入功率;在驅(qū)動(dòng)軸上安裝扭矩傳感器實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩,并計(jì)算其實(shí)際輸出功率;實(shí)際輸出功率與實(shí)際輸入功率相除即可得出系統(tǒng)效率。測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3數(shù)據(jù)可得直驅(qū)電機(jī)與普通異步電機(jī)減速機(jī)裝置相比,系統(tǒng)效率可提升20%以上, 而實(shí)際節(jié)能率圖5驅(qū)動(dòng)裝置安裝圖可達(dá)30% 40%。表3直驅(qū)電機(jī)與異步電機(jī)減速機(jī)裝置效率對(duì)比工況轉(zhuǎn)速/(r &#

20、183;min 1異步電機(jī)裝置輸入功率/kW 效率/(%直驅(qū)電機(jī)輸入功率/kW 效率/(%空載5201363090083506790197330011258010002193790133624正常5201743560111559790243391015760510002954100193627堵塞5202043730132576790280418018961910003414400236524結(jié)束語新型直驅(qū)電機(jī)通過改變電機(jī)結(jié)構(gòu),并采用永磁技術(shù),以降低轉(zhuǎn)速,提高轉(zhuǎn)矩密度,使其在小功率狀態(tài)下輸出較大轉(zhuǎn)矩,去除了減速機(jī)等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié),大大提高了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。該直驅(qū)電機(jī)發(fā)熱少,無需冷卻和潤(rùn)滑,降低了

21、維護(hù)成本,并有利于保持清潔衛(wèi)生的生產(chǎn)環(huán)境。測(cè)試和試用結(jié)果表明,該直驅(qū)電機(jī)效率較高,節(jié)能效果顯著,具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。·538·第7期金杰峰,等:新型直驅(qū)電機(jī)的開發(fā)及其在飲料輸送線中的應(yīng)用參考文獻(xiàn)(References:1仵均科,朱穎異步電動(dòng)機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)及節(jié)能措施J微電機(jī),2008,41(11:73-782王建防“變頻調(diào)速智能控制節(jié)電裝置”在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用J中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2008(7:66-673作者不詳海富創(chuàng)新技術(shù)在drinktec2009贏得廣泛贊譽(yù)J酒·飲料技術(shù)裝備,2009(6:32-324Intralor,IncConveyor Belting

22、Engineering ManualKintralox,Inc,20015席平原,朱江,申屠留芳帶式輸送機(jī)閉環(huán)特性動(dòng)態(tài)分析與PID控制J農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(12:210-2146賈洪平,賀益康永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中零矢量的作用研究J電氣傳動(dòng),2006,36(4:13-167劉益標(biāo),陳鈞基于DSP的電梯永磁同步電機(jī)的DTC控制系統(tǒng)J機(jī)電工程技術(shù),2011,40(11:28-318王本禮低速直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究D濟(jì)南:山東大學(xué)電氣工程學(xué)院,20089張傳林,胡文靜稀土永磁材料的發(fā)展及在電機(jī)中的應(yīng)用J微電機(jī),2003,36(1:38-3910李亞峰NdFeB永磁材料的應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展

23、前景J礦冶,2005,6(2:67-6911唐任遠(yuǎn)現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)M北京:機(jī)械工業(yè)出版社,199712王群京稀土釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)理論及計(jì)算機(jī)仿真M合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,199713黃明星新型永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)、分析與應(yīng)用研究D杭州:浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,2008:23-57編輯:洪煒娜(上接第819頁完成了微弱信號(hào)的自跟蹤掃頻檢測(cè)電路,利用AD9850、TLC5615等數(shù)字芯片產(chǎn)生掃頻信號(hào),利用繼電器進(jìn)行參數(shù)的自動(dòng)跟蹤控制,通過AVR芯片控制繼電器的通斷來實(shí)時(shí)的控制混沌檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的電容參數(shù),使系統(tǒng)掃頻過程中處于臨界狀態(tài),等待微弱小信號(hào)的合并,進(jìn)入大尺度周期狀態(tài),確定小信號(hào)的

24、信息;最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該電路實(shí)現(xiàn)了噪聲背景下一定范圍中低頻率微弱正弦信號(hào)的檢測(cè)。參考文獻(xiàn)(References:1諶龍,王德石基于Lorenz系統(tǒng)的微弱諧和信號(hào)檢測(cè)J儀器儀表學(xué)報(bào),2007,28(11:2034-20382馮奇噪聲對(duì)杜芬振子的混沌性質(zhì)的影響J同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),1994,22(1:69-753HAYKIN SNeural Nerworks,Acomprehensive FoundationMPrentice Hall,Englewood Cliffs,NJ,19994PILGRIM C J,LEUNG Y KAppropriate use of the Internetin computer science coursesC/Proceedings of the1stconference on Integrating technology into computer scienceeducationBarcelona,Spain:sn,1996:81-865WNAG Guan-yu,CHEN Da-jun,LI