大型矿山球磨机用无刷励磁同步电机是我公司首次自主生产的无刷励磁同步电动机。更具有意义的是为将来相关的电机产品升级换代及寻找机会打入国际市场奠定了不可或缺的基础。其中，型号为TMW3300 - 30/2860的两台电机是我公司自主制造最大功率(3 300kW)的球磨机同步电机，同时也是迄今为止国内最大功率的球磨机同步电机。在机械行业标准( JB/T 1473 - 2000)中列入的最大规格球磨机同步电机为1 250kW，30码期期必中销售球磨机、雷蒙磨粉机等磨机机械设备。
2无刷励磁同步电机的研发
该电机有很多独特之处。与常规球磨机电机的不同主要在于两个方面。首先，电机传动端轴头安装空气离合器，有利于机组起动。堵转电流小于4倍额定电流（行业标准中规定堵转电流小于7倍额定电流），堵转转矩大于0.4倍额定转矩（行业标准中要求堵转转矩大于1.7倍额定转矩），牵人转矩大于0.5倍额定转矩（行业标准中要求牵人转矩大于1.0倍额定转矩）；其次，现场环境恶劣，有刷电机难以满足要求，被迫采用无刷励磁技术。
同步电机无刷励磁机包括两种形式：一种以转枢式凸极同步发电机作为无刷励磁机；另一种，以绕线式感应发电机作为无刷励磁机。前者一般为工频同步电机励磁；后者既可为工频同步电机励磁，也可为变频调速同步电机励磁。我们选用前一种无刷励磁机形式。这主要是考虑该电机属试制阶段，其定子可由钢板加工成磁极结构，较之绕线式感应发电机定子做成冲片结构的成本低。这样，若试制不成，也不会造成报废模具而造成较大浪费。
此次无刷励磁同步电机的开发重点、难点不在于主机而在无刷励磁机部分。下面就这一重点展开介绍。
2.1电磁计算电磁方案的重点是同步电机主极与旋转整流盘，旋转整流盘与无刷励磁机的接口，无刷励磁机电磁计算。同步电机无刷励磁原理图，见图1。
无刷励磁机实质上为小型三相转枢式凸极同步发电机。采用半闭口槽、散线线圈、磁极线圈分两个线包等结构特点。电磁计算程序主要是在普通凸极同步发电机电磁计算程序的基础上考虑到这些特点开发的。
同步电机所需励磁由旋转整流盘输出端提供。旋转整流盘所需的三相交流电压、电流是励磁机输出的电压、电流。
首先，根据同步电机励磁的电压、电流初算励磁机参数：功率、电压、功率因数、电流、频率。初算励磁机的参数有两套公式，根据最终选定的晶闸管而不同：器件为螺栓形，适用于100A以下工况；器件为平板形，适用于100A以上大电流。
其次，通过对励磁机电磁方案的反复调试及优化，最终无刷励磁机设计成16极（主电机为30极），其参数为：功率：68kW，电压：192. 34V，电流：219. 34A，功率因数：0. 9306，频率：26. 67Hz。
计算结果中励磁机所需励磁的参数：励磁电压187. 12V，励磁电流17. 87A，空载励磁电流7.396A，短路励磁电流17.7A。
根据电磁计算结果，可以确定结构设计的核心部分的尺寸。并将以上两组数据提供给电子设备厂就可以订购旋转整流盘了。
2.2结构设计
无刷励磁机结构主要分为四大部分：定子、转子、旋转整流盘、外罩，见图2。
定子包括：定子铁心、磁极线圈、固定夹及热胀型材料等。定子铁心由两块llOmm厚钢板在厚度方向开坡口焊接而成，并用数控切割，割出16个磁极。磁极的极靴与极身的宽度一致，以确保磁极线圈可以直接套入。磁极线圈有两组线包组成。线包间的空间用于插入固定夹。相邻磁极线圈间插入热胀型材料撑紧，并在定子整体进行VPI整浸后固定牢固。需要注意的是，在磁极线圈下线后要暂时以cp5涤纶护套玻璃纤维绳固定于定子铁心轭部事先布置的螺栓上。这样做，为下线（套磁极线圈）工作带来必要的便利，定子结构见图3。
转子包括：电枢铁心、转子支架、线圈支架、电枢线圈等。电枢铁心冲片为整圆硅钢片，内圆带有键槽。转子支架轮毂一端与主电机轴固定，支架8根放射布置的筋的另一端与旋转整流器间隙配合，并以8个螺栓固定，转子支架8根筋的外表面与电枢冲片内圆过盈配合，其中1根筋上加工有平键槽，嵌入的平键与电枢铁心内圆键槽配合。这样，从主电机轴传递过来的转矩就可以通过转子支架传到励磁机转子并带动旋转整流器一块旋转。
电枢线圈为双层叠绕散线线圈，为了减少相间接线困难，将两个线圈做成一组。48组线圈嵌入到92个半闭口槽内。线圈端部伸出铁心端部的部分有线圈支架支撑。线圈支架既起支撑线圈端部的作用也起到压紧铁心的转子压板的作用。线圈支架在压紧铁心后以弧键限位固定于转子支架上，弧键两端需与线圈支架筋点焊牢。转子结构见图4。
2.3投励与控制励磁
整个的工作过程是，同步电机异步起动，无刷励磁机转子电枢从电动机吸收机械功率（有功功率），切割定子励磁磁场产生同步的旋转磁场，共同建立气隙磁场。气隙磁场作用于励磁机转子电枢，感应出3相交流电势。在控制模块发出投励信号之前，同步电机转子线圈感应出的交变电流通过放电电阻，不至于形成大的电势对整流电路构成威胁。
主控模块通过采集滑差信号，在准同步情况下发出信号打开整流回路的晶闸管，同时关断与放电电阻相连的GTO晶闸管，这样就完成了投励动作，参见图1。对于多极数的同步电机凸极效应明显，异步起动牵入同步速度快，采集滑差信号困难，可以比较转子线圈两端的电压，测得零压后计时2s左右，发出信号完成上述投励动作。
至于调整励磁机励磁电流大小，以控制主电动机欠励过励状态。、其主要依赖于自控系统根据主电动机负载方信号采集的判断。比如当负载较大，需要过励时，加大励磁机励磁电流，增大空载电势，功率因数降低，励磁机电枢电流增加，从而加大整流回路的输出电流，达到过励要求。
3结论
在我国经济飞速发展，钢铁产业、有色金属产业相继上马，拉动采矿业产量不断增长，矿山球磨机需求量呈上升趋势。拖动球磨机的无刷励磁同步电机具有适应恶劣环境的特点，并且在各个使用大型同步电机的行业里有很广阔的应用前景。
