1  引言
    大型礦山球磨機(jī)用無(wú)刷勵(lì)磁同步電機(jī)是我公司首次自主生產(chǎn)的無(wú)刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)。更具有意義的是為將來(lái)相關(guān)的電機(jī)產(chǎn)品升級(jí)換代及尋找機(jī)會(huì)打入國(guó)際市場(chǎng)奠定了不可或缺的基礎(chǔ)。其中，型號(hào)為TMW3300 - 30/2860的兩臺(tái)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(shí)也是迄今為止國(guó)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(wú)刷勵(lì)磁同步電機(jī)的研發(fā)
    該電機(jī)有很多獨(dú)特之處。與常規(guī)球磨機(jī)電機(jī)的不同主要在于兩個(gè)方面。首先，電機(jī)傳動(dòng)端軸頭安裝空氣離合器，有利于機(jī)組起動(dòng)。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(chǎng)環(huán)境惡劣，有刷電機(jī)難以滿足要求，被迫采用無(wú)刷勵(lì)磁技術(shù)。
    同步電機(jī)無(wú)刷勵(lì)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(wú)刷勵(lì)磁機(jī)；另一種，以繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)作為無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)。前者一般為工頻同步電機(jī)勵(lì)磁；后者既可為工頻同步電機(jī)勵(lì)磁，也可為變頻調(diào)速同步電機(jī)勵(lì)磁。我們選用前一種無(wú)刷勵(lì)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(huì)造成報(bào)廢模具而造成較大浪費(fèi)。
    此次無(wú)刷勵(lì)磁同步電機(jī)的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)、難點(diǎn)不在于主機(jī)而在無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)部分。下面就這一重點(diǎn)展開(kāi)介紹。2.1電磁計(jì)算
    電磁方案的重點(diǎn)是同步電機(jī)主極與旋轉(zhuǎn)整流盤，旋轉(zhuǎn)整流盤與無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)的接口，無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)電磁計(jì)算。同步電機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁原理圖，見(jiàn)圖1。
    無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)實(shí)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(gè)線包等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。電磁計(jì)算程序主要是在普通凸極同步發(fā)電機(jī)電磁計(jì)算程序的基礎(chǔ)上考慮到這些特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的。
    同步電機(jī)所需勵(lì)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(lì)磁機(jī)輸出的電壓、電流。
    首先，根據(jù)同步電機(jī)勵(lì)磁的電壓、電流初算勵(lì)磁機(jī)參數(shù)：功率、電壓、功率因數(shù)、電流、頻率。初算勵(lì)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(guò)對(duì)勵(lì)磁機(jī)電磁方案的反復(fù)調(diào)試及優(yōu)化，最終無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果中勵(lì)磁機(jī)所需勵(lì)磁的參數(shù)：勵(lì)磁電壓187. 12V，勵(lì)磁電流17. 87A，空載勵(lì)磁電流7.396A，短路勵(lì)磁電流17.7A。
    根據(jù)電磁計(jì)算結(jié)果，可以確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gòu)旋轉(zhuǎn)整流盤了。
2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    無(wú)刷勵(lì)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(jiàn)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(kāi)坡口焊接而成，并用數(shù)控切割，割出16個(gè)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(shí)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(lái)必要的便利，定子結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(gè)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(guò)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(guò)來(lái)的轉(zhuǎn)矩就可以通過(guò)轉(zhuǎn)子支架傳到勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子并帶動(dòng)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(gè)線圈做成一組。48組線圈嵌入到92個(gè)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(diǎn)焊牢。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。
2.3投勵(lì)與控制勵(lì)磁
    整個(gè)的工作過(guò)程是，同步電機(jī)異步起動(dòng)，無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞從電動(dòng)機(jī)吸收機(jī)械功率（有功功率），切割定子勵(lì)磁磁場(chǎng)產(chǎn)生同步的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，共同建立氣隙磁場(chǎng)。氣隙磁場(chǎng)作用于勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞，感應(yīng)出3相交流電勢(shì)。在控制模塊發(fā)出投勵(lì)信號(hào)之前，同步電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈感應(yīng)出的交變電流通過(guò)放電電阻，不至于形成大的電勢(shì)對(duì)整流電路構(gòu)成威脅。
    主控模塊通過(guò)采集滑差信號(hào)，在準(zhǔn)同步情況下發(fā)出信號(hào)打開(kāi)整流回路的晶閘管，同時(shí)關(guān)斷與放電電阻相連的GTO晶閘管，這樣就完成了投勵(lì)動(dòng)作，參見(jiàn)圖1。對(duì)于多極數(shù)的同步電機(jī)凸極效應(yīng)明顯，異步起動(dòng)牽入同步速度快，采集滑差信號(hào)困難，可以比較轉(zhuǎn)子線圈兩端的電壓，測(cè)得零壓后計(jì)時(shí)2s左右，發(fā)出信號(hào)完成上述投勵(lì)動(dòng)作。
    至于調(diào)整勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流大小，以控制主電動(dòng)機(jī)欠勵(lì)過(guò)勵(lì)狀態(tài)。、其主要依賴于自控系統(tǒng)根據(jù)主電動(dòng)機(jī)負(fù)載方信號(hào)采集的判斷。比如當(dāng)負(fù)載較大，需要過(guò)勵(lì)時(shí)，加大勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流，增大空載電勢(shì)，功率因數(shù)降低，勵(lì)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(guò)勵(lì)要求。
3結(jié)論
    在我國(guó)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(dòng)采礦業(yè)產(chǎn)量不斷增長(zhǎng)，礦山球磨機(jī)需求量呈上升趨勢(shì)。拖動(dòng)球磨機(jī)的無(wú)刷勵(lì)磁同步電機(jī)具有適應(yīng)惡劣環(huán)境的特點(diǎn)，并且在各個(gè)使用大型同步電機(jī)的行業(yè)里有很廣闊的應(yīng)用前景。