新型直驱电机的开发及其在饮料输送线中的应用

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在各类轻工业品自动化流水生产线中普遍使用的驱动装置是异步电机减速机系统，即使用小功率的三相异步电机经减速机减速并提高转矩后驱动各类设备。饮料输送线中大量使用的是3 kW以下的三相异步电机，其效率-般都低于80%[1 3。而驱动装置的选型原则是等级靠大不靠小，-般饮料输送线配置的电机均有20% ～45%容量富余 ，即电机运行时的实际输出功率为额定功率的80%以下，使其效率进-步下降。减速机方面，饮料输送线上使用的减速机多为蜗轮蜗杆减速机，其效率-般也低于 80%。因此，目前广泛使用的饮料输送线驱动装置的实际效率往往低于50%。若能采用低转速大转矩高效直驱电机替换现有的异步电机减速机装置直接驱动输送线，则可以大大提高系统效率。

收稿日期：2013-03-14作者简介：金杰峰(1981-)，男，浙江上虞人，主要从事电气 自动化控制方面的工作.E-mail：jetking###wahaha.COITI.cn通信联系人：楼向明，男，博士，高级工程师.E-mail：lxm###wahaha.con.cn第 7期 金杰峰，等 ：新型直驱电机的开发及其在饮料输送线中的应用 ·833·在慕尼黑 Drinktec 2009展览会上，德国海富公司展出了世界首创物料输送带直驱系统-Beetee直驱电机，去除了减速机传动机构，比传统驱动系统节能30% [3 3，但是直至 目前尚无成熟产品销售。而目前国内外市场上销售的直驱电机产品基本都为大功率或高精度伺服电机，不适用于饮料输送线。

因此，针对饮料输送线的驱动需要，本研究开发-款新型永磁同步直驱电机，并在饮料瓶输送带上进行试用。

1 驱动系统的需求分析饮料瓶输送带的典型结构如图 1所示。

该输送带主要由链轮、链板、支撑机架和驱动装置组成。链板头尾连接形成环状套在两个链轮上，且背面有齿槽可与链轮上的齿相配合。链轮分为主动轮和被动轮，输送带运行时，驱动装置驱动主动轮转动，使链板做直线运动，从而带动链板上的饮料瓶前进。

，图 1 链板输送带示意图1-链板；2-支撑条；3-链轮；4-托轮根据物理原理，输送带匀速运动时，驱动输送带主动轮所需的转矩为：TF×R (1)式中：F-链轮对链板的拉力， -链板绕链轮转动的半径。

由于饮料瓶输送带-般都为匀速运行且水平运动，链轮对链板的拉力等于链板受到的摩擦力，为：Ffw (2)式中 -链板与支撑条之间的摩擦力， -饮料瓶与链板之间的摩擦力。

其中，链板与支撑条之间的摩擦力为： w( b w)g (3)式中： -链板上饮料瓶的总重量， w-链板自身重量，g-重力加速度， w-链板与支撑框架之间的摩擦系数。

当输送带正常运行时，饮料瓶与链板之间没有相对滑动，则：0 (4)当输送带出现堵塞情况时，链板继续运动而饮料瓶无法前进，即饮料瓶与链板之间有相对滑动，则： Mbg (5)式中： -链板与饮料瓶之间的摩擦系数。

输送带上饮料瓶的总重量为：Mbmb×N (6)式中： -单 瓶饮料重量，Ⅳ-输送 带上饮料瓶 总数量。

对于单道运行的输送带而言，输送带上饮料瓶总数量为：，Ⅳ (7) d 、式中： -输送带长度；D-饮料瓶身的最大直径；d-输送带上前后饮料瓶之间的间距，输送带堵塞时，d0。

当输送带以速度 匀速运动时，驱动输送带所需的功率：WF·V (8)驱动轴的转速：n (9) J L以INTRALOX###公司的链板为例，其输送带长为10 m，链板绕链轮转动的半径 R81 mm，链板重量Mw 33 kg。在输送带润滑情况下，取 w0.09， 0.094 J。 此输送带在不同工况下输送不同的饮料瓶时，根据以上公式，计算驱动输送带所需的转矩、功率和转速如表 1所示。

表 1 输送带驱动装置理论参数估算值· 834· 机 电 工 程 第30卷上述计算是比较理想的状况，在输送带实际运转过程中，输送带受各种大型性质不同的载荷作用，处在极其复杂的受力状态下 j。所以实际驱动系统所需的转矩和功率大于计算结果。另外，还需考虑到实际应用需要预留的余量，最终确定需要开发的直驱电机基本参数如下：额定功率：PN1.25 kW；额定电压：U 380 V；额定转速：nN300 r/rain；额定转矩：TN40 N·m；最大转矩倍数：300%。

2 直驱电机的设计由于永磁同步电机具有体积孝重量轻、效率高、功率因数高、结构简单、可靠性高等-系列优点 ]，直驱电机采用了交流永磁同步技术。

对于永磁同步电机，其转速：n： (10)P式中 厂电机的额定频率，p-电机的极对数。

由式(10)可以看出，电机的转速与电机的极数成反比，与电源的频率成正比。因此，为了降低电机的额定转速，可以在电机设计时，增加电机极数或降低电机的额定频率〖虑到电机低频方面的低限问题，使得通过采用降低额定频率来实现低速目的的方法具有-定的局限性 j。本研究在直驱电机设计时，采用了增加电机极数的方法，并最终确定电机的频率和极对数为：额定频率 厂N80 Hz；极对数：P16。

在永磁材料方面，钕铁硼是 目前磁性能最好的永磁材料，其剩磁和矫顽力都非常高，退磁曲线为直线，回复线与退磁曲线基本重合，且性价比高，特别适用于永磁电机 。 。因此，该设计选用了牌号为 N35SH的钕铁硼为电机的永磁体材料。

直驱电机的设计过程与-般永磁同步电机的设计过程相同，只是需要根据直驱电机低速大转矩的特点选择合适的参数。主要设计步骤如下：(1)直驱电机主要尺寸的初定，即根据直驱电机的额定参数和相关电机的经验参数初步确定电机的主要尺寸，包括永磁体尺寸、气隙长度、定转子内外径和轴向长度、定子槽数和极距等结构尺寸。直驱电机极数较多，使得电机直径较大，而长度较短，即为粗短型。

因此电机设计时，长径比需比-般永磁同步电机小，该设计中的长径比选为 0.25左右。

(2)直驱电机的电磁设计与计算。电磁设计是电机设计的核心部分，需要根据永磁同步电机的理论建立等效电磁模型，然后进行绕组参数计算、磁路计算、电路参数计算和电机特性的综合计算，最终得出电机的各项参数并修正电机主要尺寸数据。由于直驱电机要求低速运行并输出大转矩，电机设计时应旧能地提高转矩密度。该设计采用分数槽，并选择了较大的电磁负荷。