在轮胎行业的应用
——访上海新时达机电科技有限公司总经理魏君谋先生
本刊记者
（全国橡胶塑料设计技术中心，北京 100143）
中图分类号：TM313
文章编号：1009-797X(2020)23-0001-08
文献标识码：B DOI:10.13520/jki.rpte.2020.23.001
随着新技术革命的纵深发展，工业领域的创新和技术升级也开始深入实施并有效的提升了橡胶和轮胎工艺，实现了节能增效。《橡塑技术与装备》杂志社采编记者就橡胶和轮胎行业采用永磁同步电机和永磁同步驱动系统研发及应用的情况，对上海新时达机电科技有限公司总经理魏君谋先生就大家关心的几个问题进行了采访，希望对行业的技术升级有所助益。
编者按： ，男，上海新时达机电科
技有限公司总经理，从事橡机行业工作25年来，一直致力于橡胶机械设备节能增效配套电气控制系统及产品的开发推广工作，以及推进高压永磁同步电机在行业内应用的工作。先后为上海大中华、上海双钱、万力轮胎、正新轮胎、浦林成山、中策集团、佳通集团、风神轮胎等国内各大型生产企业提供电气控制系统的升级、改造、配套服务，其自行研发的高压变频器产品在密炼机上的成功应用，改
变了长久以来密炼机只能配置进口驱动器的格局，同时在工艺提升、节能增效方面给用户带来实质性的提高，为民族品牌的振兴和推广做出了贡献。
魏君谋
本刊记者：首先请魏总介绍一下永磁同步电机的基本特点及应用领域有哪些？
魏总：永磁同步驱动系统是新时达与中电电机以及相关电机制造企业共同研发的一项应用技术，永磁同步电机作为一个成熟成品在工业领域很多场合都已经在应用。新时达与相关电机厂一起，率先在橡胶轮胎行业提出永磁同步电机的应用方案。永磁同步电机的效率高于异步电机和直流电机，主要体现在速度与负载变化大的设备，其节能效果最好。永磁同步电机的带负载能力优于异步电机，与直流电机一样；其使用寿命与异步电机一样，只要设计合理、制造质量符合相关要求、正常使用的永磁同步电机不存在退磁的问题。永磁电机及永磁同步驱动，是橡胶行业设备驱动的未来和发展趋势，也是国内一般工业驱动未来的发展方向。随着技术的不断完善和成熟，相信永磁同步驱动技术会得到越来越多的认可与广泛的应用。
说到永磁技术的应用领域，永磁同步电机在各行业均有广泛的应用：
（1）电梯曳引机已在10年前开始全部更新替代为永磁同步电机。
（2）新能源汽车行业所采用的驱动电机大部分为永磁同步电机。
（3）风力发电行业中的50%左右的发电机都采用永磁同步电机，而且均为低转速、大功率。
（4）在水泥、矿山、钢铁、冶金等行业，永磁同步电机都已有广泛的应用。
另外在很多行业采用永磁同步直驱技术替代原有的齿轮箱，例如矿山、码头的输送带；钢帘线厂的拉丝机；水泥厂的球磨机；理论上目前有齿轮箱的机械设备都可采用永磁同步驱动替代齿轮箱，但考虑到性价比实际应用一般在250 r/min以上的设备性价比最高。
在轮胎行业里，最适合永磁电机的应用场合有密炼机、挤出机、压延机和开炼机等。具体如下：（1）新上密炼机主机驱动，采用过永磁方案的主机厂家：益阳橡机、大连橡机、德国HF。
（2）密炼机直流系统改造、绕线式交流不调速系统改造。
（3）开炼机主机驱动采用过永磁方案的主机厂家：大连橡机、益阳橡机。
（4）螺杆压片机主机驱动。
（5）螺杆挤出机主机驱动双螺杆、三复合、四复合等。
本刊记者：请您介绍下永磁同步电机构造、设计与制造工艺有什么变化？与通用电机有什么区别？
魏总：在构造方面（如图1所示），永磁同步电机定子和异步电机定子结构相同，而转子采用嵌入式磁钢结构。异步电机转子是线圈形式，而低压永磁电机转子内嵌磁钢。还有异步电机需要定子通电后转子切割磁力线产生磁场，而永磁同步电机转子本身就具备磁场。
永磁同步电机设计与制造工艺有如下变化：
（1）永磁体采用特高矫顽力烧结铷铁硼，牌号N40SH，磁能积高，耐温180 ℃。
（2）转子采用磁钢内嵌密封式结构，大幅降低电机转动时所造成的摩擦和氧化，同时解决了电机启动瞬间的电流过大问题，提高了稳定性和磁钢寿命。
（3）采用斜槽结构的创新工艺可以大幅降低电磁噪声，如：无锡中电/新时达高压永磁电机；新时达低压永磁电机。
（4）电机设计温升按50K标准。
（5）电机绝缘防护等级为F级，极限运行温度可达150 ℃（与异步F级一致）。
另外，说到永磁同步电机与通用电机的区别，主要有以下几点：
（1）异步电机需要励磁电流，转子上产生的磁场和定子磁场作用产生扭矩。
（2）永磁同步电机转子本身就具有强磁场，所以其转子不需要励磁电流，与异步电机相比，永磁同步电机在转子上基本没有损耗，相同功率和电压运行电流小、电压低，定子铜耗也小。
（3）由于损耗小，所以在电机效率上，永磁同步电机效率比异步电机高。
（4）永磁同步电机的效率始终大于异步电机的效率（全负载段、全转速段），尤其在低转速、低负载/过载的情况，电机的效率差异更大（具体参考图2、图3曲线）。
（5）异步电机在非额定转速、非额定负载（特别是轻负载）的情况下效率明显降低。
本刊记者：请您谈下永磁同步电机的控制原理和方式有什么区别？
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魏总：永磁同步电机的控制特点如下：
（1） 永磁同步电机的系统效率与变频器的控制方
式密切相关；
（2） 一般的id=0的控制方式，节能效果甚微（见图4）；
（3） 开环控制方式节能效果不如闭环控制方式；（4） 目前比较先进的控制方式为：MTPA 控制模式（最大数据转矩、最小电流控制方式），MPTA 控制模式即最大转矩电流比控制方式，在该控制方式下，
幅值一定的电子电流产生的转矩最大，等价于对应相同的电磁转矩，在该控制下所需的定子电流最小，进而对应的电动机铜损也最小。新时达公司的永磁驱动方案正是采用MPTA 控制模式。
（5） 永磁驱动应该是一个整体的系统，电机与变频器及控制之间应该密切配合，才能达到最佳运行效果。
本刊记者：以密炼机为例，请您谈谈永磁同
步系统与异步系统有什么区别？
魏总：那就主要从机械特性、电机效率和节能方面来谈一谈。
首先永磁同频统机械特性硬（带载能力强），加载转速方面，转速变化在1 r/min 以内；加减速时间，控制在0~50转在10 s 以内；转矩输出特点为零速满转矩（与直流系统一样）。弥补了交流异步系统取代直流系统的机械特性不够“硬”
的缺陷。
图1
永磁同步电机的外型及构造示意
图2
电机效率速度曲线图
图3 电机效率曲线图
备注：以上异步电机的参数视不同能效等级会有差异，永磁同步电机的参数视不同厂家以及控制方式有关。
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其次是电机效率高，永磁与异步的效率对比如下：（1） 在不同转速下，以及不同负载的情况下，永磁电机的效率比异步电机的效率高2.3%~19%（视异步电机能效等级而异）；
（2） 在额定转速以下，随着负载的变化，永磁电机的效率能稳定保持在90%以上，而异步电机的效率降幅比较大；
（3） 异步电机空载损耗在3%左右，永磁同步电机空载损耗在0.7%左右。
在不同转速下的效率对比曲线（以10 kV ，1 250 kW 为例，低压电机效率差异更大）
。
图5～图9是各种速度下永磁电机与异步电机在
不同负载率下的电机效率对比。
图5 1 000转时的效率对比曲线
图6 800转时的效率对比曲线
从图10与图11
可以明显看出，在一个密炼周期
图4 电流电压幅值-
转矩特性
图7 600
转时的效率对比曲线
图8 400
转时的效率对比曲线
图9 200转时的效率对比曲线
中密炼机的负载率变化幅度非常大；而在额定负载下的运行时间很短，基本都在永磁电机节能效果较高的
区间运行。
永磁同步电机与异步电机效率比较分析：图12是
一个密炼周期中永磁电机节能空间的示意图，具体节
能效果因工艺、胶料种类而异。
图12 永磁电机节能空间示意图
※深区域标注为不同负载情况下永磁同步电机相比异步电机的节
能空间（2.3%~19%）与转速有关
最后是节能估算，一般一台密炼周期约为3 min ，空载运行时间约1 min ，异步电机的空载损耗一般为电机额定功率的3%左右，永磁同步电机的空载损耗一般为电机额定功率的0.7%左右。以1 250 kW 为例，一天运行22 h ，每批炼胶周期3 min ，空载1 min ，则一天的炼胶时间约为16.5 h ，空载时间约为5.5 h 。
则异步电机空载损耗为：1 250 kW×3%×5.5
h=206.25 kW .h 。
永磁同步空载损耗为：1 250 kW×0.7%×5.5 h=48.12 kW .h 。
空载损耗节电为：225-52.5=158.13 kW .h/天。炼胶时间能耗：1 250 kW （额定功率）×30%（负载率）×16.5(h )=6 187.5 kW .h 。
按图11的带载节电率5%（转速600转）估算，则炼胶时间节电为：6187.5 kW .h×5%=309.37 kW .h/
佳通轮胎天。
综合节电率计算: (C +E )/(A +D )=7.3%。
（C +E ）：永磁系统的一天的节电数（kW .h ）；（A +D ）：密炼机一天的用电数（异步系统）。
实际运行不可能都是600转，而且密炼机空载时间也有不同，因此永磁系统综合节电率按 5% 左右估算，如果是直流系统改造节电率约在10%~20%。
以1 250 kW 节电费用估算
平均负载率30%~40%，一天运行22 h ，一年运行330天，电费为0.7元/度，则年电费：1 250（额定功率）×（30%~40%）（负载率）×22（h ）×330（天）
×0.7（元）=190 5750~254 1000元。
相比交流异步节电率为5%：（1 905 750元~2 541 000元）×5%（节电率）=95 287.5 ~ 127 050
（元）。以2 500 kW 节电费用估算
平均负载率30%~40%，一天运行22 h ，一年运行330天，电费0.7元/度则年电费：2 500（额定功率）×（30%~40%）
（负载率）×22（h ）×330（天）×0.7（元）=3 811 500元~5 082 000元
相比交流异步节电率为5%：（3 811 500元~5 082 000元）×5%（节电率）=190 575~254 100 元
这里平均负载率应按现场实际应用情况而定，有些现场会低于30%。
本刊记者：请您谈谈新时达永磁同步驱动方
案在轮胎制造业应用情况如何？
魏总：自2013年开始，新时达产品在密炼机高压变频驱动的基础上，推广高压永磁同步电机驱动。相关用户案例如下：
（1） 贵州轮胎
共1台，1 250 kW 一台：电机-无锡中电；变频器-新时达；2019年投运，主机厂为：大连橡机。
（2） 张家港南港轮胎
共1台，1 500 kW 一台：电机-无锡中电
；变
图10 炼胶周期负载实际变化曲线
图11
炼胶周期负载时间占比曲线（参考）
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