随着国家对能源环保管理的深入，节能降耗、绿色环保已成为水泥企业的关注点，前期的改善电网质量、风机泵类变频改造等节能手段都已发挥到了极致，单就目前的异步电动机来看，其效能提高一个百分点都很困难，所以水泥生产企业的设备节能空间已很有限。近几年，随着永磁材料的不断发展，永磁电动机的生产及应用也随之迅猛发展，因其良好的负载特性和节能降耗的优势，使其应用领域从小型民用（如电梯、电动汽车等）慢慢渗透到大型工业生产中，从低压小功率发展到了高压大功率，永磁电动机在水泥行业的应用是大势所趋。
水泥企业因工作环境恶劣、设备能耗高、故障率高、维护量大等特点，对设备运行可靠性的要求更为苛刻。水泥生产线上皮带机、提升机、选粉机、拉链机、辊压机、球磨机是最具代表性的关键设备，皆为冲击性负载，启动转矩大，过载倍数高，故其电动机功率及减速机服务系数一般富余量都大，生产过程中的高噪音、低功率因数、高耗能、高故障率、高维护量，一直制约着水泥生产线的安全、环保及高效运行。具体缺点如下：
（1）旋转类机械的振动和噪音大部分是由于高速旋转造成的，皮带机、提升机、选粉机、球磨机等4极异步电动机（1 480 r/min）及减速机的高速输入旋转而引起的冲击、振动、摩擦、噪音（包括电磁噪声），对现场环境影响极大，同时也降低了减速机的使用寿命。
（2）异步电动机的启动性能及过载能力差，故电动机选型都存在“大马拉小车”现象，而异步电动机低负载运行时，效率和功率因数都比较低（如图1、图2所示），需外加无功补偿装置来改善电网的功率因数，增加了供电设备的容量及设备投入。
图1 永磁同步电动机效率、功率因数与负载率关系曲线
图2 异步电动机效率、功率因数与负载率关系曲线
（3）“4极高速异步电动机+液力耦合器+减速机”的异步电动机驱动搭配，由于减速箱为高速输入，使其振动及磨损大，产热量高（大功率设备必须外置稀油站强制注油降温润滑），润滑油管及机体连接部位密封损坏频繁，渗漏油现象很难从根本上解决，严重影响生产现场环境的整洁及润滑油的日常消耗。
我公司结合水泥生产线使用设备的运行特性，研发生产出了皮带机、提升机、选粉机、拉链机、辊压机、边缘传动球磨机等专用永磁同步驱动系统，功率范围7.5~3 000 kW，转速范围5~600 r/min，电压380~10 kV。从目前应用效果看，运行状况良好、达到了设计目的和要求，以下介绍其在石灰石输送皮带机上的应用实践。
2.1 皮带机异步电动机驱动系统
皮带机异步电动机驱动系统参数见表1。
表1 皮带机异步电动机驱动系统参数
2.2 改造方案论证
更换驱动系统的石灰石输送斜皮带位于48 m高的钢结构中转站上，其安装平台空间及承重都已确定，永磁电动机的改造方案只能在现有的条件下实施。如若选用永磁直驱，满足200 kW、30 r/min的驱动扭矩为（9 550×200）/30=63 667（N·m），估算直驱永磁电动机的设计重量约为2 t/10 000 N·m，则该电动机的设计重量可达6.366 7×2=12.7（t），此重量无法满足原钢结构的承重要求，给改造带来很大的难度。另外根据永磁电动机的转速公式n=60f/P，则P=60f/n=60×50/30=100，若把电动机的额定转速设计为30 r/min的话，就需要把其极数设计为100对（200极），就算有的厂家把永磁电动机的额定运行频率设计成十几赫兹，永磁电动机也需要设计为40极。而这种设计（40极、低频10 Hz运行）势必会使电动机的转子直径及重量很大，造成启动及运行惯量很大，启动性能差，由于转子自重等原因而降低了电动机运行效率，节能效果欠佳。
鉴于此，最终选用“20极（300 r/min）的永磁同步电动机+低速变低速的小速比一级减速器+无感矢量变频器”的配置，同样以30 r/min的输出替代原“异步电动机+液力耦合器+减速机”的异步驱动系统，来达到低速驱动、节能降耗、降噪、提高运行安全可靠性、降低故障率和维护量的目的。
永磁电动机采用特殊的电磁与结构设计，优化机械制造工艺，选用国内损耗最低的优质矽钢片，提高材料利用率。其定子槽满率更高，功率密度更高，驱动系统体积更小、重量更轻、结构紧凑，有效减少材料成本，提高了产品的性价比。
电动机及一级减速器均选用FAG或SKF进口全密封免维护轴承，在运行转速为300 r/min的情况下，其转子风摩耗、轴承发热量及磨损也大大降低，基本可以免维护。
“20极永磁电动机+一级减速器”的结构与大极数永磁电动机相比，转子体积小、质量轻，启动惯量小，再加上一级减速器的转矩放大作用，使其具有启动转矩大的特点，较易实现重载启动。改造后皮带机永磁同步电动机驱动系统参数见表2。
表2 皮带机永磁同步电动机驱动系统参数
2.3 改造特点
（1）电动机由1 486 r/min异步电动机改为300 r/min永磁同步电动机，减速机由三级减速改为一级，速比i由50∶1改为10∶1的小速比，去掉了高速级，输入轴转速降至300 r/min，减速机轴承及齿轮磨损、运行发热量大幅度降低，效率提高，且永磁电动机和一级减速器都完成模块化设计，通过柔性连接耦合到一起，质量轻，过载能力大大提高（可在1.5倍额定转矩下长期运行，2.0倍额定转矩下可运行5 min）。
（2）改造后的永磁同步电动机中心高为450 mm，与原减速机中心高相同，电动机基础基本不做改动，拆掉原直交轴减速机、液力耦合器、电磁抱闸、异步电动机，原基础平台稍作改动，原联轴器继续使用，永磁电动机通过联轴器跟皮带机的传动滚筒直联布置安装，整体对现场改动不大，2 d即可完成改造。
（3）永磁电动机定子绕组预埋三相双支三线制PT100测温装置（共6支，3用3备），前后轴承预埋双支三线制PT100测温装置（共2支，1用1备），可实现运行过程中绕组及轴承温度的精准监测和上传，便于实现对设备的远程监控。
（4）电气控制拆掉原软启动器，更换为永磁电动机专用无感矢量变频器，用原驱动软启动器的信号直接驱动变频器即可，电气控制回路极为简单。智能控制实现了电动机的缓启缓停，减小电流冲击，实现对永磁同步电动机的精确控制和保护，也可通过其通信接口外接物联网模块，来实现该皮带机永磁同步驱动系统的远程监控，提高企业的智能化管理水平。
改造前后现场设备布置情况对比见图3。
图3 皮带机现场照片
1）运行参数
改造后，在相同喂料量的条件下，经过原计量仪表检测，皮带机运行电流由210~260 A降到165~210 A，现场噪音低于80 dB（A），表3为改造前后相同喂料量下，一个台班的电动机运行电流对比。
表3 改造前后电动机运行电流对比 A
2）节电分析
改造前电动机功率200 kW，电压380 V，功率因数0.905，平均运行电流256 A；改造后电动机功率200 kW，电压380 V，功率因数0.980，平均运行电流183 A（以上电流皆为变频器前的输入电流）。根据电动机有用功公式P=UIcosφ，改造后皮带机的节电率为22.4%，节电效果明显，而且同步电动机对电网功率因数的提高也会带来一定的经济效益。
另一方面，永磁驱动系统还有其他优势，如其安全可靠的性能，可以保障皮带机安全无故障运行，低振动、低噪声、低污染可以切实改善现场工作环境。
3）运行维护方面
改造后没有减速机和液力耦合器，缩短了传动链，降低了故障率，使设备的日常巡检维护量大大降低，减少了润滑油的消耗及维修成本。
2、4、6极高速电动机是异步电动机的优势，结构及控制简单，效率及功率因数高，但是当运行转速在几百转，甚至几十转到十几转时，再靠增加异步电动机的极数来降低转速（功率因数很低）或加减速机进行减速（效率低、维护量大），就很不经济高效。此时可以选择低速大扭矩永磁电动机，其体积和质量仅为异步驱动系统的1/2~1/3，可减少新建项目的基建投资，其运行效率（97%）和功率因数（99%）都很高，变频智能控制缓启缓停，额定电流小于同功率的异步电动机，所以供电设备及电缆可降低一个规格进行选型，无须进行电容补偿。低速大扭矩永磁同步驱动系统在水泥生产线上的应用，对行业设备升级换代以及企业效益的提高起到了良好的推动作用。
