专利名称：大功率低转速机械设备的电气直接传动技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及大功率、低转速机械设备的传动系统，可广泛地应用于水泥、矿山、冶 金、电力和煤炭等行业，也为带有齿轮减速器的其他机械产品的改革创新打开了思路。
背景技术：
目前，大功率、低转速机械设备的传动系统中多配置了齿轮减速器，然而齿轮减速 器的存在却增加了传动效率的损耗。以水泥行业为例，近年来，在水泥粉磨工艺日新月异的 技术创新中，立磨脱颖而出，它集破碎、干燥、粉磨、分选和输送为一体，使粉磨工艺效率比 球磨高出30%，具有产量大、单耗低、集约化程度高、占地小、土建和运输费用少等一系列优 点，已经出现了逐步替代传统球磨机的发展趋势。现代水泥企业，电费很高，约占水泥成本 的30%，而水泥企业的三大磨机(生料、水泥和煤磨)的耗电量又超过全厂总耗电量的一 半，所以，哪怕是将其传动效率提高一个百分点，对节能减排就有举足轻重的意义。然而， 由于诸多原因目前水泥立磨系统依然存在不少节能减排的薄弱环节。例如一、几千KW的 大功率电动机一直沿用效率和coscp指标都很低的绕线式电动机；二、可能是为了降低齿轮 减速器的制造难度，立磨主电机多配以低转速6极电动机，又使效率和COS(p再降一个台阶； 三、立磨工作速度很低，降速比大，需配置齿轮减速器，但无论其制造精度多高，也无法消除 它的传动损耗。在诸多影响因素中，要数齿轮减速器传动损耗占比最高。
发明内容
本发明就是拆除机械设备传动系统中的齿轮减速器，换上低速电动机，由后者直 接进行驱动，即实现机械设备电气直接传动，把传动效率升上去，将损耗降下来。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是1.大功率低转速机械设备主传动不再使用齿轮减速器，彻底清除由它引起的各种 损耗；2.大功率低转速机械设备驱动不再使用绕线式电动机，改用低频同步电动机，有 效提高电机的效率和C0SCP;低频同步电动机可利用电动机制造的成熟技术进行设计和制 造；3.采用额定输出频率为低频的变频供电器作为低频同步电动机的电源，确保低频 同步电动机正常工作和运转；4.使用大功率高压变频器的软启动技术，使同步电动机平稳启动，不对电网产生 过大冲击。其中，低频同步电动机的设计和制造是本发明的核心内容，而额定低频输出变频 供电器则是向低频同步电机提供低频电源，保障其平稳启动和正常运转的关键技术支持手 段。本发明的有益效果是1.取消齿轮减速器至少可提高传动效率6个百分点。
(1)以南高齿产立磨减速器为例其减速器为双行星齿轮结构，三级传动减速。据清华大学吴宗泽教授主编《简明机 械零件设计手册》(中国电力出版社2011年第一版)单级行星圆柱齿轮减速器的传动效 率为0. 95 0. 98，考虑到南高齿质量好、精度高，按高值选取，每级均选为0. 98，则三级总 传动效率为Ii3 = 0. 983 = 0. 94，即拆除减速器至少可有效提高传动效率6个百分点。(2)以华新水泥大型球磨机减速器为例其特大型球磨机采用蜗杆减速器加大型齿圈传动，查上手册齿圈按圆柱齿轮开 式(脂润)选取，传动效率为0. 94 0. 96 ；蜗杆减速器按最高环面油类选取，传动效率为 0. 85 0. 95，以高值计算，二级传动总效率为η2 = 0. 96X0. 95 = 0. 91，拆除齿轮减速器 后，总传动效率可有效提高9 %。(3)机械联轴器(电机与减速器之间)也有效率损耗，暂且忽略不计。按提升6个百分点估算，仅考虑我国新型干法水泥生产线，每条线有三台磨机，平 均每台功率为5000KW，全国共有1113条生产线，共计可节电ΣΡ = 3X5000X1113X0. 06 ^ 100 万 KW由此节约的资源和降低的排放相当可观。2.电机 coscp提升 15%国产YR高压6极电机最高的cos(p=0.85，而同步电动机可为1，可提高15个百分 点。我国规定用电企业全厂平均coscp小于0.9要额外支付无功功率补偿费。以水泥行业 为例，如果三台磨机全改为同步电动机，由于它们功率很大，coscp高，不必采取另装电容补 偿等措施，全厂coscp即可达到0.9以上，无需花费用于无功补偿的成本开支。3.采购成本单台可节省100万元据介绍南高齿一台MLX450立式减速器(功率4500KW)价格为400 500万元，而 北京产6250KVA高压变频器(含变压器和同步马达软启动)报价仅为300 350万元，假 设绕线式电机与低频同步电机价格相当，则拆除齿轮减速器之后，单台可节省采购成本100 万元。4.运行可靠性可提高几个数量级具有连续作业特点的企业非常注重大型关键设备的计划检修和检修周期。以水泥 企业为例，过去经验表明最让人放心不下的就是大型磨机的齿轮减速器，它不仅容易发生 磨损故障，而且事故发生后难以处理，检修周期特别长，它是与全厂设备年运转率关联度最 高的设备。而高压大功率变频供电器系统，故障几率较低，修复故障多为更换模块，无需调 用大型起吊维修设备。5.直接享用现代高科技成果因同步电动机自身没有启动转矩，小容量多采用高压直接异步启动，在容量很大 时这种启动方式会对供电网形成过大冲击，于是启动就成了难题。但现代变流技术不仅可 实现同步电动机变频调速，而且还附有同步电动机软启动功能，启动平稳，不会对电网产生 过大冲击。
图1是本发明的电气直接传动技术的机械和电气联接方式图。
具体实施例方式1.拆除机械设备传动系统中的齿轮减速器，改用低频同步电动机直接驱动，如果 需要同步电动机承受来自机械设备的压力时，应采取相应措施，如采用立式结构和推力瓦 等，同步电动机的轴和轴承可以原齿轮减速器输出轴和推力轴承的参数作为设计依据。额 定输出频率为低频的变频供电器为低频同步电动机提供电源。机械电气联接方式见图1。2.低频同步电动机的设计实现电气直接传动，要求驱动电机以低转速输出。低频同步电动机采取既降低供 电频率又适度增加电机极数双管齐下的方法进行设计。为了保证电动机设计的经济合理， 要求电动机设计常数Ca控制在一定的范围之内，若依据电动机功率P = 4500KW，转速η = 20转/分来估算同步电动机的基本尺寸，电动机内径D的大小约在4. 5 6米的范围，这样 既能保证电动机设计经济合理，又不至于增加制造的难度。3.低频变频供电器的设计低频供电是低频同步电动机工作运行的基本保证，取消齿轮减速器之后，必须另 增低频供电装置，并以同步电动机所需低频作为其额定输出频率。4.同步电动机的启动可采用大功率高压变频器的软启动技术。
权利要求
1.大功率低转速机械设备的电气直接传动技术是取消传动系统中的齿轮减速器，改用 低频同步电动机直接驱动机械设备的一种先进技术，其特征是(1)主传动不再使用齿轮 减速器，彻底消除由它引起的各种损耗；( 采用立式低频同步电动机，有效提高电机的效 率和coscp ； (3)利用成熟技术设计和制造低转速低频同步电动机；以额定输出频率为 低频的专用变频供电器作为低频同步电动机的电源；(5)使用高压大功率变频器所开发的 软启动技术，使低频同步电动机平稳启动，不对电网产生过大冲击。
2.根据权利要求1所述的大功率低转速机械设备的电气直接传动技术，低频同步电动 机的设计和制造是本技术的核心内容，其特征是(1)采取既降低供电频率又适度增加电 机的极数双管齐下的设计方法，合理选择设计参数进行低频同步电机的设计；( 在保证 输出功率不变的前提下，通过合理选择CA值和1/D比值来精心确定低频同步电机的主要尺 寸，从而达到技术可行、经济合理的要求。
3.根据权利要求1所述的大功率低转速机械设备的电气直接传动技术，立式同步电动 机没有出现在现有国产系列产品中，其特征是(1)低频同步电动机为立式结构，为国产同 步电动机产品系列添加了新品种；( 立式低频同步电动机要能承受其驱动机械设备的压 力，并直接以原立式齿轮减速器输出轴和轴承的相应技术参数作为其末项技术要求。
4.根据权利要求1所述的大功率低转速机械设备的电气直接传动技术，低频同步电动 机在国产现有系列产品中是无先例的，其特征是低频同步电动机解除了额定工作频率为 50Hz的束缚，在保证低频供电的条件下，能以很低的运行频率驱动大功率机械设备，为国产 电机产品开拓50Hz以下的产品系列空间开了先河；同时，低频电机产品在低周波下使用， 有铁耗、铜耗很低的优越性，能提高电机效率、节能减排，为低频系列产品的开发提出了新 的思路和想象空间。
5.根据权利要求1所述的大功率低转速机械设备的电气直接传动技术，低频变频供电 器是保证低频同步电机正常使用和运转的关键技术手段，其特征是低频变频供电器以低 于50Hz的额定低频输出，在国产系列产品中是首创，同样，它冲破了 50Hz额定频率的局限， 既为国产变频器产品增加了新品种，也为国产变频器产品打开了 50Hz以下低频段的开发 空间。
6.根据权利要求1所述的大功率低转速机械设备的电气直接传动技术，电气直接传动 技术应用范围辽阔，其特征是“电气直接传动”技术可以广泛应用于水泥、矿山、冶金、电 力、煤炭等行业领域，特别适用于大功率、低转速、启动困难、连续作业并带有齿轮减速器的 机械设备，能有效提高传动效率，大幅节能减排，具有重大的推广价值，也为带有齿轮减速 器的一般机械产品设备的创新和开发打开思路和提供借鉴。
全文摘要
大功率低转速机械设备的电气直接传动技术是在主传动中不再使用效率低下的绕线式电动机和齿轮减速器，改由低频供电器供电的低速同步电动机直接传动，其中核心技术是低频同步电动机的设计和制造，而低频输出供电器则是保障电机平稳启动和正常运转的关键技术支持手段。大功率低转速机械设备电气直接传动技术的机械和电气联接方式，如附图所示。采用电气直接传动后，传动效率可有效提高(水泥立磨的传动效率可提高6％以上)。本技术还有提高设备的可靠性和年运转率，节约成本开支和启动平稳等诸多有益效果。
文档编号H02K7/14GK102130537SQ20111003891
公开日2011年7月20日 申请日期2011年2月16日 优先权日2011年2月16日
发明者谌志斌, 谌湛, 谌煜 申请人:谌志斌, 谌湛, 谌煜