減速機行業注意啦！起重行業驅動系統減速機被永磁同步電機替代

永磁電機因其結構簡單、體積小、重量輕、效率高、功率因數高、起動轉矩高、經濟運行范圍寬等優點，于2015年11月被工業與信息化部列入《節能機電設備（產品）推薦目錄（第六批）》，是目前節能新技術推廣中的重點產品。近年來，在永磁同步電機本體上出現了很多高端電機，比如六相永磁同步電動機。用它為艦船提供動力，其體積比傳統的直流電機小近60%，損耗降低近20%；用于艦船推進的永磁同步電動機最大安裝容量達38MW；我國已經研制出的3MW高速度永磁風力發電機。現在的永磁同步電機正向著擁有更大的調速范圍和更高的精度控制發展，具有高性能的永磁材料得到青睞。但在減速機行業隨著永磁電機發展的火熱程度確顯得誠惶誠恐，原因是時時傳來永磁電機替代減速機的聲音，今天“今日減速機”就盤點一些行業永磁電機替代減速機的相關情況：

起重行業驅動系統減速機被替代
在傳統的起重行業的機械裝備中，由異步電動機加機械減速機構構成的驅動系統占主導地位，但其結構復雜、轉動慣量大、系統整體效率低下、噪聲大、潤滑油滲漏污染、維護頻繁等缺點

傳統起重機如果取消減速機，直接由異步電機直驅幾乎是不可能的。這是因為異步電動機低速運行時，電機的極對數會相應較多，此時電機勵磁電流所占的比例很大，因此空載電流較大，電機的效率和功率因數很低。

那么將起重機的驅動電機用永磁同步電動機替代，將會解決上述問題。由于永磁同步電機的勵磁由永磁體產生，不需要定子提供額外的勵磁電流，因而永磁同步電動機的功率因數可以做的很高，同時由于電機定子電流無功分量極低，故其值明顯低于同極數、同容量的感應電機，特別在電機極數較多時更加明顯，可使定子銅耗減小 30%～50%。永磁同步電動機易于實現多極數，且在很寬的負載范圍內具有良好的效率和功率因數的特性，使得取消機械減速機，實現低速大扭矩電機直驅成為了可能。

不同極槽配合起重機起升機構永磁同步電機對比研究
氣隙磁密：永磁同步電機氣隙磁密的分布對電機性能影響很大，理想情況下的波形呈正弦分布，但由于其磁路的特點，波形并不是嚴格正弦分布，需要采取一定措施來優化磁密波形。
空載反電勢：空載反電勢是由氣隙基波磁通在繞組中產生的，其大小影響電機的動態性能，并決定電機是工作增磁還是去磁狀態，合理設計保證其正弦度，可降低定子電流，，減小諧波引起的損耗和振動。
齒槽轉矩：永磁體和定子鐵心之間在永磁電機繞組不通電時就能相互作用產生的轉矩，是由永磁體與電樞齒之間相互作用力的切向分量引起的，產生轉矩脈動。其波形周期等于極槽數的最小公倍數（ LCM）。有效削弱齒槽轉矩的方法有：斜槽、斜極、不等厚永磁體、調整極弧系數等等。

水泥行業煤磨機減速機被替代
某水泥廠現有兩臺煤磨，原有電機拖動模式為“電機+減速機”（YRKK560-6型900kW 6kV高壓電機 + JCX80型速比為7的減速機）。原有拖動模式電機本身功率因數低，已連續使用15年，設備磨損老化，運行電流較高且波動幅度大，耗電量高。水泥廠決定技改兩臺煤磨，本次技改主要考慮由永磁電機（TPYM900-30型 900kW 6kV）直接驅動設備的方式替換傳統的電機+減速機的拖動模式，省去減速機負荷，提高傳動效率。

永磁同步電機的優勢：
永磁電機功率因數更高，由高壓變頻器調節頻率，節電效果更好。
永磁電動機與機械負載直接相連，消除了低速大轉矩傳動系統中的電機與機械負載之間的各個傳動環節，大幅度簡化了機械裝備的傳動鏈。
噪音小，無污染，免維護。取消了減速機、液力耦合器等故障率高的機械裝置，節省了日常維護費用、潤滑費用及所耽擱的工作時間。

水泥廠將原有電機及減速機拆除后，因技改永磁電機與原電機底座尺寸不同，需重新做電機底座，電機底座制作過程：（1）用風鎬、電鎬將原有基礎混凝土進行松動處理；（2）對原有混凝土基礎內面植筋，植筋深度為20d=400mm；（3）新設計混凝土基礎砼用C40混凝土；（4）新混凝土基礎東、北側放設挑板1500mm寬，南側挑板1 000mm，根部150mm，端部100mm；（5）在新基礎施工過程中嚴格執行《混凝土結構工程施工規范》、《混凝土結構工程施工質量驗收規范》、《建筑工程冬期施工規程》，基礎施工完成后通過4個10t倒鏈將永磁電機吊裝、找正。

技改后，永磁電機由高壓變頻器驅動，生產運行時頻率設定為45～46Hz即可達到原有傳統拖動模式下的磨機轉速，滿足生產需求，運行電流降低。直驅拖動模式沒有減速機，降低傳動負荷，進一步降低運行電流。相比原有電機，永磁電機功率因數提高，節能效果明顯。本項目技改投資約140萬元，對水泥廠煤磨主電機進行技術改造，技改完成后一臺永磁電機年可節電約120萬kWh，折合電費約70萬元，預計兩年可收回投資成本。一年節電折合標準煤約165. 4t，減少CO 2排放約450t。

永磁電機在抽油機應用相比減速機的優勢
油田使用的大多是常規游梁抽油機，屬于帶負荷啟動設備，穩定運行時所需的轉矩相對較小，而啟動時需要轉矩較大，因此需要使用比穩定運行時功率大得多的電機。油田大量配用異步驅動電機降低了電網的功率因數，增加了無功消耗，致使電機平均負載率不足30%，“大馬拉小車”現象嚴重，電能浪費巨大，使得開采成本很高，影響油田的綜合經濟效益。所以在常規抽油機上推廣使用永磁同步電機。

永磁電機采用封閉式外殼結構，完全適應野外工作環境，其外形結構和安裝尺寸與Y系列電機完全相同，現場安裝方便，經久耐用。除此之外：
效率高，額定效率為92%，高于Y系列電機約4%，節能效果顯著，綜合節電率15%以上。
功率因數高，功率因數由1/4負載到額定負載時，均保持在0.9以上，而異步電機平均運行功率因數僅為0.4左右。
啟動轉矩大，過載能力強，啟動轉矩為額定轉矩的3.0~4.0倍，其啟動轉矩和過載能力均提高了1個座機號，能替換比它大1~2個功率等級的Y系列異步電機。

應用永磁電機，效率提高，體積變小，可以節省能源。對復雜的機械結構沒有改變，僅改變動力源達到節能效果。

我們用低速大力矩電機的永磁盤面電動機舉例，由于永磁盤面電動機的電機半徑較大，能夠通過電機圓周得到較大的出力，應用這種新型永磁同步電動機能夠直接對抽油機的懸梁進行驅動，不但提高了整個控制系統的工作效率，而且去掉了具有復雜結構的減速機。為了能夠得到更大的出力，所以電機的半徑較大，但是與傳統的抽油機系統相比較而言，體積還是明顯減小了很多。

永磁電機在低速大轉矩設備上替代減速機
永磁同步電動機具有節能高效、低速直接驅動效果良好的特點，在某大型建材企業對大功率主電機進行了“更新-直驅”改造試驗，即采用新型節能高效永磁同步電動機替代原來的鼠籠異步電動機，去掉減速機及其稀油站系統，直接驅動球磨機運行。

本次改造主要采用永磁同步電動機直接驅動球磨機的小齒輪工作，去掉減速機及其稀油站系統，可在顯著降低能耗的同時，大大提高工作效率，減少運行維護成本，實現真正意義上的免維護。
改造前系統：現有系統采用異步電動機—減速機—小齒輪—大齒輪的模式驅動，由于異步機和減速機的效率非常低，并且存在著維護頻繁、漏油等系列問題，嚴重影響生產成本與經濟效益。
改造后系統：為了提高傳動環節的效率，本次改造擬采用低速大轉矩永磁同步電動機直接驅動小齒輪，帶動大齒輪轉動。

技能技術改造經濟效益分析
項目改造完成后，通過一段時間的運行，綜合比較測算，改造取得了良好的經濟效益。
年節電量34.56萬kWh，折合電費17.2萬元；省掉了減速機稀油站油泵電機（功率2.2 kW），年節電1.1萬kWh（按年運行300 h，負荷率75%計算），折合電費0.5萬元；永磁直驅電機機械結構簡單，省掉了減速機及其稀油站、慢轉電機環節，減少設備維護勞動投入，節約減速機及油站備件、油品消耗等費用0.8萬元/年；永磁直驅電機除滿足正常生產外，還同時滿足了斷料減轉降負荷、檢修定位停機等要求，不需崗位人員進行切換操作，降低了人員勞動強度；永磁直驅電機功率因數為0.952，遠高于原鼠籠電機的0.834。經測算直驅電機變頻器輸入側功率因數為0.99，供電變壓器二次側功率因數不用電容補償即滿足要求，節省采購電容器一次性支出3萬元，平均每年節省1萬元。

主電機“更新-直驅”改造項目實施后，設備運行平穩、正常，能夠滿足生產要求，節能效果明顯，平均節電率達20%左右，且能顯著降低設備維護成本和操作人員勞動強度。此項技術非常適合低速大轉矩設備，具有很高的推廣應用價值。

電梯驅動系統中的替代減速機
自從鼠籠式三相異步電動機驅動變頻式樣的調速電梯被日本三菱公司首次推出以來，使得交流電梯舒適感達到可以和直流電梯相對比的程度，這完全歸功于矢量控制技術的廣泛應用。但同時由于異步電動機自身存在一切缺陷，使得其主流地位受到嚴重挑戰，這個是指在電梯拖動中，同時永磁同步電動機可能使得異步電動機和直流電動機一樣被自己取代。

永磁同步電動機的性能
永磁同步電機轉子采用稀土永磁體，與定子的旋轉磁場同步工作。稀土永磁材料主要是釹鐵硼釹鐵硼。因為NdFeB 永久磁鐵的磁性能高，最大剩磁1.47 T 能夠實現，這比感應電動機加入轉子磁場更強，轉子旋轉角度可以容易地確定（磁極的相對位置和所述轉子被設置），和使用轉子方向的矢量控制很容易。

在永磁同步電機斷電后，電機的三相定子繞組可能會被接觸器短路（或短路）。當電梯由于錯誤而展開時，發動機進入發電制動狀態。能量負載會產生較大的阻力矩。 電機的角速度按指數曲線增加，角速度的絕對值逐漸減小，最終實現恒速運行，由此公式得出，穩態速度較低。根據相關資料，短路電梯上行或下行速度不超過額定轉速的 10％后，能起到很好的限速保護。

永磁同步電動機的類別和區別。對應于電機定子繞組電流波形和產生的反電動勢波形，梯形反電動勢和方波電流 BLDCM（短無刷直流電機）稱為永磁同步電動機，反電動勢和電流均為正弦曲線 - 軸同步電機稱為交流永磁同步電機（PMSM）。

由于普通電梯采用永磁同步無齒輪牽引傳動（特別是1：1傳動），其效率高于采用蝸輪減速機的異步電動機傳動系統的效率，曳引機采用2：1 卷繞方式。從提高機械效率的觀點出發，作為電梯的驅動方法，為了節能而使用永磁同步電動機和高效率減速機（行星齒輪減速機等）更有效。

半驅式永磁電機一體集成驅動系統完美替代傳統

半驅式永磁電機由中速永磁電機和行星減速器組成的一體化驅動裝置，其輸出轉速n≤200rpm,輸出轉矩T=0.15～5502kN.m。可廣泛替代《異步電機+齒輪箱+液力偶合器》的傳統低速大轉矩驅動裝置。

運行效率高：在負載、工作制相同的情況下，采用半驅式永磁電機比傳統的異步電機驅動系統大約可節省30%左右的電能損耗，完全符合國家節能減排的相關政策。

輕量化：在相同工況條件（功率和轉速相同）下，半驅式永磁電機與全直驅永磁電機相比，其體積和重量可減小60%；與傳統驅動系統相比，其體積和重量可減小50%。

智能化控制系統：半驅式永磁電機驅動系統配套“專用的控制系統”，可進行平滑起動、調速，智能化操作，可靠性高。控制器可提供CAN、RS485、PROFBUS DP等多種通信接口的接入，可實現與上位機通訊，實現多臺設備集中控制運行，可將運行數據傳送至地面調度室進行在線監測。

傳統驅動系統（異步電機+齒輪箱）使用工頻電直接起動，起動電流大，控制功能單一，不便于系統的智能化發展。
無級調速：半驅式永磁電機配置“專用的控制系統”，可通過調節變頻器，改變其供電頻率實現在一定的范圍內進行無級變速，且可保持極高的效率。特別適合在流體輸送機械中得到更好的應用，如水泵、風機等。

負載啟動：半驅式永磁電機啟動時電流是隨著負載逐步增加，不會存在大電流沖擊的情況且可保持極高的效率。而傳統驅動系統中多采用的是異步電機，啟動時電流是額定電流的5-7倍，電流沖擊大，導致定子繞組的漏阻抗壓降增大，從而無法實現重載起動，為了保證設備啟動能力，通常需選用更大供電容量的異步電機或者加裝液力耦合器從而實現重載起動。

永磁電機的缺點
盡管永磁體在低速時帶來了性能優勢，但它們也是技術上的“致命弱點”。例如，隨著永磁電機速度的增加，反電動勢接近逆變器電源電壓，從而無法控制繞組電流。這定義了通用永磁電機的基本速度，并且在表面磁體設計中通常代表給定電源電壓的最大可能速度。

在大于基本速度的速度下，IPM使用主動磁場弱化，其中操縱定子電流故意壓低磁通量。可以可靠實施的速度范圍限制在4：1左右。和以前一樣，這個限制可以通過減少繞組匝數和接受更大的成本和逆變器中的功率損耗來實現。

磁場弱化的需要是速度相關的，并且不管扭矩如何都會產生相關的損失。這會降低高速下的效率，特別是在輕負載下。在高速公路行駛的電動汽車中，這是非常嚴重的。永磁電機經常受到電動汽車的青睞，但是在實際駕駛周期進行計算時，效率的好處是值得懷疑的。有趣的是，至少有一家著名的電動汽車制造商已經從PM切換到感應電動機。

其他缺點包括由于其固有的反電動勢在故障條件下難以管理的事實。即使變頻器斷開，只要電機旋轉，電流就會持續流過繞組故障，從而導致齒槽轉矩和過熱，并且都是危險的。例如，由于變頻器停機，在高速下的磁場減弱會導致不受控制的發電，并且逆變器的直流母線電壓可能上升到危險的水平。

除了那些裝有釤鈷磁體的永磁電機外，操作溫度是另一個重要的限制。而由于逆變器故障而產生的高電動機電流會導致退磁。
永磁電機的最大速度受機械磁鐵保持力的限制。如果永磁電機損壞，修理它通常需要返回到工廠，因為安全地提取和處理轉子是困難的。最后，報廢時的回收也很麻煩，盡管當前稀土材料的高價值可能會使這種材料更具經濟可行性。

減速機行業必須存有危機感