1 引言
大型礦山球磨機用無刷勵磁同步電機是我公司首次自主生產的無刷勵磁同步電動機。更具有意義的是為將來相關的電機產品升級換代及尋找機會打入國際市場奠定了不可或缺的基礎。其中，型號為TMW3300 - 30/2860的兩臺電機是我公司自主制造最大功率(3 300kW)的球磨機同步電機，同時也是迄今為止國內最大功率的球磨機同步電機。在機械行業標準( JB/T 1473 - 2000)中列入的最大規格球磨機同步電機為1 250kW，富通新能源銷售球磨機、雷蒙磨粉機等磨機機械設備。
2無刷勵磁同步電機的研發
該電機有很多獨特之處。與常規球磨機電機的不同主要在于兩個方面。首先，電機傳動端軸頭安裝空氣離合器，有利于機組起動。堵轉電流小于4倍額定電流（行業標準中規定堵轉電流小于7倍額定電流），堵轉轉矩大于0.4倍額定轉矩（行業標準中要求堵轉轉矩大于1.7倍額定轉矩），牽人轉矩大于0.5倍額定轉矩（行業標準中要求牽人轉矩大于1.0倍額定轉矩）；其次，現場環境惡劣，有刷電機難以滿足要求，被迫采用無刷勵磁技術。
同步電機無刷勵磁機包括兩種形式：一種以轉樞式凸極同步發電機作為無刷勵磁機；另一種，以繞線式感應發電機作為無刷勵磁機。前者一般為工頻同步電機勵磁；后者既可為工頻同步電機勵磁，也可為變頻調速同步電機勵磁。我們選用前一種無刷勵磁機形式。這主要是考慮該電機屬試制階段，其定子可由鋼板加工成磁極結構，較之繞線式感應發電機定子做成沖片結構的成本低。這樣，若試制不成，也不會造成報廢模具而造成較大浪費。
此次無刷勵磁同步電機的開發重點、難點不在于主機而在無刷勵磁機部分。下面就這一重點展開介紹。
2.1電磁計算
電磁方案的重點是同步電機主極與旋轉整流盤，旋轉整流盤與無刷勵磁機的接口，無刷勵磁機電磁計算。同步電機無刷勵磁原理圖，見圖1。
無刷勵磁機實質上為小型三相轉樞式凸極同步發電機。采用半閉口槽、散線線圈、磁極線圈分兩個線包等結構特點。電磁計算程序主要是在普通凸極同步發電機電磁計算程序的基礎上考慮到這些特點開發的。
同步電機所需勵磁由旋轉整流盤輸出端提供。旋轉整流盤所需的三相交流電壓、電流是勵磁機輸出的電壓、電流。
首先，根據同步電機勵磁的電壓、電流初算勵磁機參數：功率、電壓、功率因數、電流、頻率。初算勵磁機的參數有兩套公式，根據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，通過對勵磁機電磁方案的反復調試及優化，最終無刷勵磁機設計成16極（主電機為30極），其參數為：功率：68kW，電壓：192. 34V，電流：219. 34A，功率因數：0. 9306，頻率：26. 67Hz。
計算結果中勵磁機所需勵磁的參數：勵磁電壓187. 12V，勵磁電流17. 87A，空載勵磁電流7.396A，短路勵磁電流17.7A。
根據電磁計算結果，可以確定結構設計的核心部分的尺寸。并將以上兩組數據提供給電子設備廠就可以訂購旋轉整流盤了。
2.2結構設計
無刷勵磁機結構主要分為四大部分：定子、轉子、旋轉整流盤、外罩，見圖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坡口焊接而成，并用數控切割，割出16個磁極。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以cp5滌綸護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）工作帶來必要的便利，定子結構見圖3。
轉子包括：電樞鐵心、轉子支架、線圈支架、電樞線圈等。電樞鐵心沖片為整圓硅鋼片，內圓帶有鍵槽。轉子支架輪轂一端與主電機軸固定，支架8根放射布置的筋的另一端與旋轉整流器間隙配合，并以8個螺栓固定，轉子支架8根筋的外表面與電樞沖片內圓過盈配合，其中1根筋上加工有平鍵槽，嵌入的平鍵與電樞鐵心內圓鍵槽配合。這樣，從主電機軸傳遞過來的轉矩就可以通過轉子支架傳到勵磁機轉子并帶動旋轉整流器一塊旋轉。
電樞線圈為雙層疊繞散線線圈，為了減少相間接線困難，將兩個線圈做成一組。48組線圈嵌入到92個半閉口槽內。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子支架上，弧鍵兩端需與線圈支架筋點焊牢。轉子結構見圖4。
2.3投勵與控制勵磁
整個的工作過程是，同步電機異步起動，無刷勵磁機轉子電樞從電動機吸收機械功率（有功功率），切割定子勵磁磁場產生同步的旋轉磁場，共同建立氣隙磁場。氣隙磁場作用于勵磁機轉子電樞，感應出3相交流電勢。在控制模塊發出投勵信號之前，同步電機轉子線圈感應出的交變電流通過放電電阻，不至于形成大的電勢對整流電路構成威脅。
主控模塊通過采集滑差信號，在準同步情況下發出信號打開整流回路的晶閘管，同時關斷與放電電阻相連的GTO晶閘管，這樣就完成了投勵動作，參見圖1。對于多極數的同步電機凸極效應明顯，異步起動牽入同步速度快，采集滑差信號困難，可以比較轉子線圈兩端的電壓，測得零壓后計時2s左右，發出信號完成上述投勵動作。
至于調整勵磁機勵磁電流大小，以控制主電動機欠勵過勵狀態。、其主要依賴于自控系統根據主電動機負載方信號采集的判斷。比如當負載較大，需要過勵時，加大勵磁機勵磁電流，增大空載電勢，功率因數降低，勵磁機電樞電流增加，從而加大整流回路的輸出電流，達到過勵要求。
3結論
在我國經濟飛速發展，鋼鐵產業、有色金屬產業相繼上馬，拉動采礦業產量不斷增長，礦山球磨機需求量呈上升趨勢。拖動球磨機的無刷勵磁同步電機具有適應惡劣環境的特點，并且在各個使用大型同步電機的行業里有很廣闊的應用前景。
